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silìcio

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Chimica: generalità

sm. [sec. XIX; da silice]. Elemento chimico di simbolo Si, peso atomico 28,08 e numero atomico 14. Costituisce ca. il 25% in peso della crosta terrestre, nella quale rappresenta l'elemento più abbondante dopo l'ossigeno; non si rinviene allo stato libero ma sempre combinato con l'ossigeno nelle varie forme del biossido, quali in particolare il quarzo e il calcedonio, o con l'ossigeno e altri elementi nei numerosi silicati naturali. Nelle stesse forme il silicio è abbondantemente presente anche nei corpi celesti. Si può ottenere sotto forma di elemento libero, sempre più o meno impuro, riducendo il suo biossido con una quantità calcolata di carbone al forno elettrico: se il carbone è invece in quantità maggiore si ottiene il carburo di silicio, di formula SiC, ovvero il carborundum. Un altro metodo si basa sulla riduzione del biossido di silicio con magnesio metallico:

La reazione, una volta innescata riscaldando la miscela in un punto, decorre con forte sviluppo di calore; l'ossido di magnesio che si forma e il magnesio ancora presente vengono poi asportati lavando la massa con acido cloridrico e poi con poco acido fluoridrico diluito. Mentre fino a epoca assai recente il silicio elementare puro presentava interesse soltanto scientifico, attualmente esiste una notevole richiesta di silicio purissimo da parte dell'industria elettrotecnica, che lo utilizza per le sue proprietà di semiconduttore. Lo si ottiene dal tetracloruro di silicio, accuratamente purificato per distillazione, riducendolo con idrogeno a una temperatura di oltre 1000 ºC, secondo la reazione: SiCl4+2H2 —→ Si+4HCl. Tutte le operazioni devono venire condotte in apparecchiature di materiali idonei e che non cedano al silicio impurezze nocive per gli scopi per i quali è destinato. Il silicio così ottenuto viene poi ulteriormente purificato con il metodo della fusione a zona. Grande importanza nell'industria siderurgica hanno le leghe ferro-silicio, con un titolo in silicio che va, secondo i tipi, dal 15 al 90%; esse vengono usate, oltre che nella produzione degli acciai al silicio, come disossidante: si preparano riducendo direttamente al forno elettrico una miscela opportunamente dosata di rottame o di ossidi di ferro e di quarzo. Le leghe alluminio-silicio, generalmente con un contenuto in silicio intorno al 12%, vengono invece utilizzate come lega madre per la produzione di varie leghe dell'alluminio. § Il silicio è polimorfo: la varietà cristallina con un reticolo simile a quello del diamante si può facilmente ottenere in cristalli anche di notevoli dimensioni, durissimi, lucenti e assai fragili; fonde a 1410 ºC. La riduzione del biossido di silicio porta invece al silicio cosiddetto amorfo, pulverulento e di colore bruno più o meno carico. Nell'una e nell'altra forma il silicio non viene attaccato dagli acidi, eccetto l'acido fluoridrico che lo trasforma nel tetrafluoruro SiF4; anche gli idrossidi alcalini attaccano il silicio, sviluppando idrogeno e trasformandolo in silicato. A temperatura elevata il silicio si combina con molti metalli formando i corrispondenti siliciuri, in genere di composizione non stechiometrica, come per esempio i due siliciuri di rame di formula Cu3Si e Cu5Si; la formazione di questi composti influenza fortemente le proprietà di molte leghe metalliche.

Chimica: i composti del silicio

Nei suoi composti, tra i quali quello più importante è il biossido, SiO2, comunemente indicato con il nome di silice, il silicio si comporta quasi senza eccezioni come elemento tetravalente e a carattere non metallico. I composti binari con l'idrogeno prendono il nome di silani e si possono preparare per esempio facendo agire l'acido cloridrico sul siliciuro di magnesio, Mg2Si. Il termine più semplice della serie ha formula SiH4 ed è gassoso a temperatura ambiente. Altri silani noti sono quelli di formula Si2H6 e Si3H8; la loro molecola contiene degli atomi di silicio legati tra loro e quindi presenta una struttura analoga a quella dei corrispondenti idrocarburi della serie degli alcani, dei quali sono però molto meno importanti a causa della difficoltà di preparazione e della scarsa stabilità. Tra i silani di più recente produzione citiamo alcuni derivati, esteri ed eteri, come: il tetra (2-etilbutossi)silano, (C6H3O)4Si, usato come fluido idraulico e lubrificante nel campo aerospaziale; il tetracicloesossilano, (C6H11O)4Si, usato come grasso idrorepellente e distaccante per stampi sia di materie plastiche sia di fonderia; il tetra-n-butossilano, impiegato come sigillante; il diisopropossidiacetossilano, usato quale adesivo per vernici speciali; infine un polimero di tetraetossilano usato come reticolante per materie plastiche e come additivo anticorrosivo per vernici allo zinco. Tra gli alogenuri del silicio, tutti a carattere covalente, il tetrafluoruro, SiF4, si discioglie nelle soluzioni acquose di acido fluoridrico trasformandosi in acido esafluorosilicico, H2SiF6; di questo sono noti vari sali, indicati con i nomi di fluorosilicati o di fluosilicati. Il tetracloruro di silicio, SiCl4, si può ottenere facendo reagire ad alta temperatura il cloro su una miscela di silice e carbone; è un liquido incolore, facilmente volatile, che reagisce rapidamente con l'acqua trasformandosi in acido silicilico e acido cloridrico.

Elettronica

Il silicio è un materiale semiconduttore di più comune impiego per diodi, transistori, circuiti integrati, microprocessori, memorie RAM e ROM, rivelatori e lenti nell'infrarosso, diodi emettitori di luce (LED), fotorivelatori, celle solari, celle ad accoppiamento di carica CCD (Charged Coupled Devices, impiegate nelle telecamere portatili), tiristori per circuiti di potenza e altri. Un'idea della sua importanza quantitativa si può avere ricordando che oltre il 98% dei dispositivi a semiconduttore fabbricati nel mondo impiegano il silicio come materiale di partenza. Negli anni Cinquanta il materiale semiconduttore più usato era il germanio: questo è stato successivamente sostituito dal silicio in quanto frequentemente inutilizzabile a causa delle forti correnti di perdita nella giunzione. Tra gli altri vantaggi del silicio vi sono un gap di energia di 1,1 eV (Ge 0,8) e la capacità di resistere fino a 150 ºC contro i 100 ºC del germanio. Con l'avvento delle tecnologie planari, il successo pratico del silicio è stato definitivo; in particolare l'ottima qualità dell'ossido di silicio cresciuto termicamente e che funge da isolante nei circuiti integrati a MOS (metallo-ossido-semiconduttore) ha permesso di forzare gli sviluppi verso la miniaturizzazione e la moltiplicazione esponenziale dei componenti nei circuiti integrati. La resistività del silicio intrinseco (non drogato) è di ca. 2.300.000 ohm/cm (nel germanio intrinseco è di 40 ohm/cm). Questo permette di ottenere dispositivi rettificanti che resistono a tensioni di rottura elevate. Inoltre il silicio ha costi ca. 10 volte più bassi di quelli del germanio.