Abbondanza del silicio

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1 IL SILICIO

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3 Abbondanza del silicio Circa il 99% in peso della crosta terrestre è formato da soli 8 elementi chimici, che sono detti elementi maggiori tutti gli altri elementi sono complessivamente presenti nella misura dell 1% e sono detti elementi minori. Tra questi molti metalli impiegati dall uomo, quali: zinco (0,0076%), rame (0,0068%), piombo (0,0013%), stagno (0,0002%), argento (0,000008%), oro (0, %). Ossigeno e silicio sono, quindi, in netta prevalenza, raggiungendo, insieme, il 75% del totale degli elementi presenti nella crosta terrestre. Ossigeno e silicio in combinazione tra loro, da soli (come nel quarzo) o unitamente ad altri elementi (come nei silicati) costituiscono oltre il 90% dei minerali della crosta terrestre. L'ossigeno rappresenta il 94% in volume della crosta terrestre: In pratica camminiamo su un cuscino di ossigeno!!

4 L'elemento chimico (Si) Numero atomico Peso atomico Temperature di ebollizione N ossidazione Temperatura di fusione Densità Configurazione elettronica del Silicio Il silicio ha 4 elettroni di valenza, cioè disponibili per fare legami chimici. Quindi ogni atomo di silicio tende a fare 4 legami.

5 Silicio puro Silicio in forma cristallina Il silicio viene preparato commercialmente tramite riscaldamento di silice (SiO 2 ) ad elevato grado di purezza, in una fornace elettrica usando elettrodi di carbonio. A temperature superiori a 1900 C, il carbonio riduce la silice in silicio secondo l'equazione chimica SiO2 + 2C Si + 2CO Questo processo (detto metallurgico) produce Si con una purezza del 98% che deve essere purificato per gli usi tipici dell'elettronica.

6 Proprietà del silicio cristallino Semimetallo Struttura di legame: tetaedrica Forma cristallina: cubica tipo diamante Densità: 2330 kg/m 3 Durezza: 6,5 scala Mohs Temperatura fusione: K (1404 C) Temperatura ebollizione: K (2900 C) Caratteristiche elettriche: semiconduttore (2, S/m)

7 I semiconduttori I semiconduttori sono materiali che hanno una resistività (o anche una conducibilità) intermedia tra i conduttori e gli isolanti. Essi sono alla base di tutti i principali dispositivi elettronici e microelettronici a stato solido quali i transistor, i diodi e i diodi ad emissione luminosa (LED). La risposta di un semiconduttore a una portante dipende dalle sue caratteristiche intrinseche (composizione chimica e strutturale) e da alcune variabili esterne come la temperatura. Le proprietà dei semiconduttori diventano interessanti se vengono opportunamente drogati con impurità.

8 Semiconduttori intrinseci I semiconduttori naturali usati per la produzione di dispositivi elettronici sono stati per molti anni il silicio e il germanio. Il germanio (Ge) è andato, con il passar del tempo, in disuso a causa delle migliori prestazioni del silicio. Ora si stanno diffondendo semiconduttori costituiti non da elementi naturali ma da leghe come l arseniurio di gallio (GaAs). Il movimento degli elettroni avviene grazie all'imperfezione del reticolo cristallino ed alla comparsa di lacune elettroniche (cariche positive virtuali) che possono venire occupate da elettroni che si spostano originando a loro volta delle lacune La conduttanza del semiconduttore intrinseco è fortemente influenzata dalla temperatura

9 Semiconduttori drogati L'aggiunta al semiconduttore puro ("intrinseco") di piccole percentuali di atomi non facenti parte del semiconduttore stesso si dice drogaggio Ha lo scopo di modificare le proprietà elettroniche del materiale. Il drogaggio in genere aumenta la conducibilità del semiconduttore. Un drogaggio pesante può fargli assumere proprietà elettriche simili a quelle di un metallo ("semiconduttore degenere"). Il drogaggio può essere di due tipi: n: l'atomo drogante ha un elettrone in più di quelli che servono per soddisfare i legami del reticolo cristallino e tale elettrone acquista libertà di movimento all'interno del semiconduttore p: l'atomo drogante ha un elettrone in meno e tale mancanza o vacanza di elettrone, indicata con il nome di lacuna, si comporta come una particella carica positivamente e si può spostare all'interno del semiconduttore. I principali elementi utilizzati per drogare il silicio sono: Fosforo (P) e arsenico (As) (droganti tipo n) Boro (B) (drogante tipo p) Per usi particolari si utilizzano come droganti elementi o composti rari come gallio (Ga), germanio (Ge), indio (In), antimonio (Sb), bismuto (Bi), ecc.

10 Drogaggio Drogaggio tipo n Drogaggio tipo p

11 Principali composti del silicio Carburo di silicio Silice Cristallina (quarzo ) Amorfa (opale e ossidiana) Vetro Silicati Siliconi

12 Carborundum Il carborundum o carburo di silicio è un solido cristallino molto duro (9,5 scala Mohs), con struttura cristallina simile al diamante Si ottiene per reazione ad alta temperatura (2000 C) di silice e carbon coke secondo la reazione: Si + C SiC Usato principalmente come abrasivo, ha ottime caratteristiche di semiconduttore, migliore del silicio per dispositivi ad alta potenza. Era utilizzato nei parafulmini. Densità: 3220 kg/m 3

13 Silice La silice /sìlice/ o biossido di silicio, è un composto del silicio la cui formula chimica è SiO 2 Lo stato fisico più comune in natura è quello di solido cristallino, in minerali come il quarzo e nei suoi polimorfi, mentre più raramente si trova in forma amorfa come nell'opale e nell'ossidiana La silice cristallina è il costituente principale di diverse rocce ignee (graniti), sedimentarie (radiolariti, quarzareniti, selci) e in vene di riempimento per precipitazione da soluzioni sature Moltissimi animali e piante utilizzano la silice presente come ione silicato sia nell'acqua dolce sia in quella salata purché al di sotto dei 18 C. Le diatomee, i radiolari, le spugne silicee, moltissimi cereali ed altre piante come la canna da zucchero e l'equiseto utilizzano questo materiale come impalcatura per lo sviluppo di strutture scheletriche.

14 Silice amorfa: il vetro Da un punto di vista chimico, il termine vetro si riferisce a materiali che sono ottenuti tramite la solidificazione di un liquido non accompagnata da cristallizzazione Il vetro comune è detto anche "vetro siliceo", in quanto costituito quasi esclusivamente da diossido di silicio (SiO 2 ). Vetro naturale: OSSIDIANA Il diossido di silicio ha un punto di fusione di circa 1800 C, ma spesso durante la produzione del vetro vengono aggiunte altre sostanze (dette "fondenti"), che abbassano il punto di fusione anche al disotto dei 1000 C, quali ad esempio: carbonato di sodio Na 2 CO 3 carbonato di potassio K 2 CO 3 borati (sali di B) e nitrati (sali dell'acido nitrico HNO 3 ) In forma pura, il vetro è trasparente, duro, pressoché inerte dal punto di vista chimico e biologico, e presenta una superficie molto liscia. Il vetro è però fragile e tende a rompersi in frammenti taglienti L'aggiunta di altri elementi chimici come piombo, bario, torio conferisce particolare brillantezza (cristalli) Ferro, manganese, cobalto, rame, argento, stagno, antimonio, arsenico, uranio, boro, ecc. vengono usati per colorare i vetri e per conferire particolari proprietà (brillantezza, resistenza a fuoco, urti, ecc.)

15 Riciclaggio del vetro In Italia, il consumo da parte dell'industria vetraria di rottame di vetro proveniente dalla raccolta differenziata dei rifiuti solidi urbani (rottame ecologico), è di oltre un milione di tonnellate all'anno. Questo rottame, opportunamente trattato, viene utilizzato prevalentemente per la produzione di vetro cavo bianco o colorato Il rottame di vetro può superare l'80% in peso sul totale della miscela vetrificabile, con evidenti vantaggi ambientali Minor volume e soprattutto peso di rifiuti da destinare a discarica Minor utilizzo di energia per la fusione del rottame rispetto al minerale siliceo Minor danno ambientale causato dalle attività estrattive (cave)

16 Il quarzo Abito cristallino tipico Trasparente se privo di impurità Durezza Mohs: 7 Densità: 2650 kg/m3 Proprietà piezoelettriche Proprietà piroelettriche

17 Fenomeno che consiste nell'originarsi di una polarizzazione elettrica su facce opposte di cristalli sottoposti a trazione o compressione in determinate direzioni (effetto piezoelettrico diretto); si ha anche un effetto piezoelettrico inverso (o effetto Lipparin) consistente nella compressione o dilatazione degli stessi cristalli in date direzioni, quando viene applicata una differenza di potenziale fra due determinate facce. Piezoelettricità

18 Oscillatore al quarzo Un oscillatore al cristallo è un circuito elettronico che usa la risonanza meccanica di un cristallo piezoelettrico vibrante per ottenere un segnale elettrico caratterizzato da una frequenza molto precisa. Questa frequenza è comunemente usata per mantenere una sincronia (come negli orologi al quarzo), per ottenere un segnale di clock stabile per i circuiti integrati digitali, e per stabilizzare la frequenza dei segnali nei trasmettitori radio.

19 Silicati Sono una famiglia di composti la cui unità fondamentale è il gruppo silicato SiO Costituiscono i principali minerali presenti sulla crosta terrestre, in particolare quelli che formano le rocce di origine magmatica.

20 Struttura dei silicati La classificazione dei silicati si basa sul numero di vertici dei tetraedri condivisi.

21 Amianto L'asbesto (o amianto) è un insieme di minerali del gruppo dei silicati, appartenente alle serie mineralogiche del serpentino e degli anfiboli In natura è un materiale molto comune. La sua resistenza al calore e la sua struttura fibrosa lo rendono adatto come materiale per indumenti e tessuti da arredamento a prova di fuoco, ma la sua ormai accertata nocività per la salute ha portato a vietarne l'uso in molti Paesi. Le polveri contenenti fibre d'amianto, respirate, possono causare gravi patologie, l'asbestosi per importanti esposizioni, tumori della pleura (ovvero il mesotelioma pleurico), ed il carcinoma polmonare. Gli amianti più cancerogeni sono gli anfiboli, e fra essi il più temibile è la crocidolite. Una fibra di amianto è 1300 volte più sottile di un capello umano. [

22 Fillosilicati I fillosilicati (dal greco phyllon, foglia) sono silicati caratterizzati da una struttura a strati in cui ogni tetraedro tende a legarsi con altri tre tramite ponti a ossigeno. I membri di questa famiglia, generalmente, possiedono un aspetto lamellare o scaglioso, con sfaldature ben definite. Le miche e i minerali delle argille sono i più diffusi fillosilicati, molto importanti per gli usi industriali (terracotta, ceramica, ecc.) Anche il talco è un fillosilicato, caratteristico per la sua sfaldabilità che lo rende un minerale molto tenero (1 scala Mhos).

23 Argille Argilla è il termine che definisce un sedimento non litificato estremamente fine (le dimensioni dei granuli sono inferiori a 2 μm di diametro) costituito principalmente da allumino-silicati idrati appartenenti alla classe dei fillosilicati.

24 Usi dell argilla L'argilla è malleabile quando idratata e può quindi essere facilmente lavorata con le mani. Quando è asciutta diventa rigida e quando è sottoposta a un intenso riscaldamento, subisce una trasformazione irreversibile diventando permanentemente solida e compatta. Queste proprietà rendono l'argilla uno dei materiali più economici e largamente usati nella produzione ceramica e terracotta fin dall'antichità. Le prime testimonianze di utilizzo di questo materiale da parte dell'uomo per creare manufatti risalgono al periodo neolitico, quando i primi oggetti di argilla (ciotole, vasi, ecc.) venivano cotti direttamente sul fuoco.

25 Usi dell argilla L'argilla, oltre che nella ceramica, è usata anche in molti processi industriali, come nell'industria della carta, nella produzione di cemento, laterizi, filtri chimici, prodotti cosmetici.

26 Argilla espansa L'argilla espansa è un materiale utilizzato come aggregato leggero caratterizzato da un nucleo interno poroso, che garantisce la leggerezza, ed una scorza esterna dura che ne garantisce la resistenza meccanica. La densità varia in funzione della granulomentria, da 300 a 700 kg/m 3 È utilizzato per realizzare calcestruzzi alleggeriti, intercapedini coibentanti, substrati drenanti e per coltura idroponica

27 Preparazione dell argilla espansa Si ottiene dalla cottura delle argille, che viene effettuata in forni orizzontali rotanti I forni hanno una lunghezza da 20 fino a 60 m, diametro da 1 a 3 m, mentre la durata del riscaldamento è di minuti. Il materiale crudo viene precedentemente macinato con delle molazze In fase di riscaldamento l'argilla cruda, incontrando temperature sempre maggiori, subisce un aumento di volume, in conseguenza dello sviluppo di CO 2 (per la presenza di CaCO 3 ) e di H 2 O. La parziale liquefazione ed il moto rotatorio danno luogo alla formazione di sferoidi con piccoli alveoli distribuiti in maniera omogenea all'interno del granulo. Il materiale incandescente una volta estratto dal forno attraversa un letto fluido fatto di correnti d'aria che, oltre a raffreddare l'argilla espansa, ne procurano l'ossidazione della scorza esterna (clinkerizzazione).

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29 Siliconi I siliconi o polisilossani sono polimeri inorganici basati su una catena silicio-ossigeno e gruppi funzionali organici legati agli atomi di silicio. In commercio si trovano siliconi in diverse forme, adatti per svariati utilizzi. Ricordiamo: Adesivi sigillanti lubrificanti giocatoli protesi accessori da cucina isolanti ecc.

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