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Silicio

Silicio

¿Qué es el silicio?

El silicio es un elemento químico de número atómico 14 y símbolo Si. Este elemento químico pertenece al grupo IV A de la tabla periódica. J.J.Berzelius 1824 lo aisló por reducción con potasio del tetrafluoruro de silicio (SiF4).

El silicio elemental cristalino es de color grisáceo con lustre metálico, muy duro, con puntos de fusión y ebullición muy elevados, y es un semiconductor intrínseco. La forma amorfa del elemento se presenta en polvos marrones, conductoras de la electricidad, que pueden ser fundidas y vaporizadas con facilidad.

El silicio es un componente muy utilizado en las placas fotovoltaicas por sus propiedades de semiconductor. Esto significa que sus propiedades físicas y químicas son muy favorables para propiciar el efecto fotovoltaico. El efecto fotovoltaico es el efecto que permite transformar la energía de los fotones presentes en la luz solar en movimiento de electrones, y por lo tanto, energía eléctrica.

Silicio monocristalino

El silicio monocristalino es el material base de la industria de la electrónica. Se compone de un único cristal de silicio, que tiene una red cristalina continua, sin interrupción durante todo el sólido.

El silicio monocristalino es quizás el material tecnológico más importante del último medio siglo, porque su disponibilidad a costos industrialmente aceptables ha sido y es esencial para el desarrollo de microcircuitos electrónicos en los que Basado en la actual revolución electrónica y informática.

El silicio monocristalino también se utiliza en la producción de células fotovoltaicas de alto rendimiento. Las células solares, a diferencia de los microcircuitos, pueden, sin embargo, tolerar, dentro de ciertos límites, pequeñas imperfecciones estructurales.

Silicio policristalino

El silicio policristalino o de polisilicio es un material hecho de cristal de silicio desalineado (policristalino). Ocupa una posición intermedia entre el silicio amorfo, y el silicio monocristalino.

El silicio policristalino a menudo reemplaza al aluminio para la producción de piezas metálicas dentro de dispositivos electrónicos semiconductores debido a la resistencia mecánica mejorada al proceso de producción del circuito integrado. También se utiliza para la realización de condensadores en un entorno integrado. Sin embargo, las capacidades que tienen estos capacitores son muy bajas.

Para aplicaciones electrónicas, el silicio policristalino se puede obtener con técnicas menos sofisticadas y menos caras que las requeridas para la deposición de silicio. El silicio policristalino también se puede obtener durante los procesos de fabricación de silicio. El silicio policristalino tiene un nivel de impureza de 1 parte por billón o menos.

Origen del silicio

El silicio es, después del oxígeno, el elemento más abundante de la corteza terrestre, de la que constituye un 26% en peso. Es constituido por una mezcla de tres isótopos naturales, estables, con masas 28 (92,21%), 29 (4,70%) y 30 (3,09%), que determinan un peso atómico de 28,086. Son también conocidos cinco radioisótopos artificiales del elemento, con masas que van de 25 a 32.

El silicio es ampliamente difundido en la naturaleza, y se ha detectado su presencia en el Sol, en estrellas y en meteoritos.

Obtención del silicio

La obtención del silicio se hace por varios métodos de acuerdo con la finalidad del elemento. El método comercial más importante consiste en la reducción de la sílice con carbono en un horno eléctrico. La preparación de silicio de pureza elevada (99,7%) se obtiene por transformación de silicio impuro en el tetracloruro (SiCl4), volátil, purificación de éste por destilación y posterior reducción con zinc.

El silicio para uso en electrónica se obtiene por purificación zonal, para eliminar boro, aluminio, fósforo, galio, arsénico, indio y antimonio. Posteriormente se obtiene un monocristal por el método de Czochralski. Este método consiste en sumergir un monocristal de pequeñas dimensiones en un baño de silicio líquido calentado a la temperatura de fusión y retirarlo lentamente para provocar el crecimiento del monocristal. Normalmente, se realiza simultáneamente el dopaje del monocristal.

Propiedades químicas del silicio

El silicio es un elemento semiconductorEn cuanto a las propiedades químicas, el silicio presenta diferencias muy notables con el carbono, primer elemento del grupo IV A. A diferencia del carbono, el silicio tiene una electronegatividad mucho más pequeña, que conlleva variaciones notables en la polaridad de determinados enlaces, una tendencia al encadenamiento muy atenuada (no hay cadenas de más de seis átomos de silicio), una coordinación máxima de seis, gracias a la existencia de orbitales d vacíos con energía apropiada. Asimismo, el silicio carece de formación de enlaces múltiples consigo mismo o con ningún otro elemento.

La característica química más importante del silicio es su tendencia a combinarse con el oxígeno para formar estructuras poliméricas o discretas en el que cada átomo de silicio es rodeado por cuatro átomos de oxígeno. Dada la gran energía del enlace Si-O (89,3 kcal / mol), dichas estructuras gozan de una gran estabilidad.

El silicio es esencialmente no metálico y su reactividad depende sobre todo del grado de división. En forma compacta, se recubre en el aire de una capa superficial de óxido, mientras que finamente dividido se enciende en el aire con facilidad. El silicio puede ser atacado por el cloruro de hidrógeno en caliente, con formación del tetracloruro y liberación de hidrógeno, y por el fluoruro de hidrógeno en frío, con formación de ácido hexafluorosilícico. Por otro lado, este material no puede ser atacado por los otros ácidos. Se disuelve en las bases fuertes, con formación de silicatos y liberación de hidrógeno (Si + 2KOH + H2O → K2SiO3 + 2H2), y se combina directamente con los halógenos y, en caliente, con otros no metales (silicur).

Dada la estructura electrónica del silicio, actúa, análogamente al carbono, de forma prácticamente exclusiva con valencia 4. Sus compuestos son esencialmente covalentes y muchos disfrutan de una importancia económica notable.

El silicio puede ser introducido en la estructura de toda una gama de compuestos orgánicos, a los que confiere propiedades muy interesantes. Desde el punto de vista biológico, el silicio tiene en algunos casos un papel importante, y es el material básico para la construcción de la pared celular de diversas algas.

En 1990 se descubrieron macromoléculas de silicio similares a los fulerenos de carbono. Fue un descubrimiento inesperado ya que se creía que no se podrían fabricar fulerenos de silicio estables. El problema de la inestabilidad de las redes cerradas de silicio se solucionó colocando un átomo metálico central, concretamente tungsteno.

Una de las formas más estables conseguidas tiene un conjunto de doce átomos de silicio que forman una jaula alrededor de un átomo de tungsteno. Esta configuración tiene la ventaja de que aísla los efectos químicos del átomo central, por lo que puede ser muy útil en la captura de átomos o en catálisis.

La respiración continuada de polvo de naturaleza silícea ocasiona a los humanos una enfermedad pulmonar grave, la silicosis.

Aplicaciones del silicio

El silicio se puede aplicar en electrónica, par la fabricación de dispositivos semiconductores y células fotoeléctricas. En metalurgia se utiliza para la preparación de aceros especiales (ferrosilicio) y otras aleaciones y en la preparación de diversos compuestos.

En forma compuesta (silicatos, sílice, siliconas), el silicio se utiliza de una forma muy general.

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Última revisión: 10 de junio de 2019

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