Silicio

Silicio
   

14		 Si
  
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
   

alluminio ← silicio → fosforo

Aspetto
Aspetto dell'elemento
Aspetto dell'elemento
Grigio scuro con riflessi bluastri
Linea spettrale
Linea spettrale dell'elemento
Linea spettrale dell'elemento
Generalità
Nome, simbolo, numero atomicosilicio, Si, 14
SerieMetalloidi
Gruppo, periodo, blocco14 (IVA), 3, p
Densità2 330 kg/m³
Durezza7
Configurazione elettronica
Configurazione elettronica
Configurazione elettronica
Termine spettroscopico3P0
Proprietà atomiche
Massa atomica28,0855 u
Raggio atomico (calc.)110 pm
Raggio covalente110 pm
Raggio di van der Waals210 pm
Configurazione elettronica[Ne]3s23p2
e− per livello energetico2, 8, 4
Stati di ossidazione±2, 4 (anfotero), -4
Struttura cristallinacubico a facce centrate con cavità tetraedrica
Proprietà fisiche
Stato della materiasolido (diamagnetico)
Punto di fusione1 687 K (1 414 °C)
Punto di ebollizione3 173 K (2 900 °C)
Volume molare12,06×10−6 m³/mol
Entalpia di vaporizzazione384,22 kJ/mol
Calore di fusione50,55 kJ/mol
Tensione di vapore4,77 Pa a 1 683 K
Altre proprietà
Numero CAS7440-21-3
Elettronegatività1,90 (Scala di Pauling)
Calore specifico700 J/(kg·K)
Conducibilità elettrica2,52×10−4 /m·Ω
Conducibilità termica148 W/(m·K)
Energia di prima ionizzazione786,5 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione1 577,1 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione3 231,6 kJ/mol
Energia di quarta ionizzazione4 355,5 kJ/mol
Energia di quinta ionizzazione16 091 kJ/mol
Energia di sesta ionizzazione19 805 kJ/mol
Energia di settima ionizzazione23 780 kJ/mol
Energia di ottava ionizzazione29 287 kJ/mol
Energia di nona ionizzazione33 878 kJ/mol
Energia di decima ionizzazione38 726 kJ/mol
Isotopi più stabili
isoNATDDMDEDP
28Si92,23% È stabile con 14 neutroni
29Si4,67% È stabile con 15 neutroni
30Si3,1% È stabile con 16 neutroni
32Sisintetico 276 anniβ−0,22432P
iso: isotopo
NA: abbondanza in natura
TD: tempo di dimezzamento
DM: modalità di decadimento
DE: energia di decadimento in MeV
DP: prodotto del decadimento

Il silicio è l'elemento chimico che ha numero atomico 14 e simbolo Si. È il secondo elemento del gruppo 14 della tavola periodica degli elementi (3° periodo), l'omologo del carbonio, con il quale ha in comune la tetravalenza.

A parte questo, il silicio assomiglia chimicamente molto più all'elemento successivo del gruppo, il germanio, piuttosto che al carbonio che lo precede: l'estesa chimica del carbonio e in particolare la chimica organica non hanno praticamente riscontro nel silicio e l'estesa chimica inorganica del silicio non è ravvisabile per il carbonio.

Dal punto di vista chimico il silicio è classificato come metalloide mentre, dal punto di vista fisico, in condizioni ambiente si presenta come un materiale semiconduttore.

Etimologia e storia

Lo stesso argomento in dettaglio: Berzelius.

Il termine silicio è attestato in italiano dal 1873 e deriva dal latino silex, silicis, che significa selce, o anche pietra focaia; da silex sono state ricavate le parole selce (1306) e sílice (1313), che inizialmente indicavano entrambe una pietra dura o pietra focaia, ma poi silice è stata usata, in ambito chimico, per indicare il biossido di silicio SiO2; ancora, su silex è stato costruito in latino scientifico il termine silicium per l'elemento.

Il silicio venne identificato per la prima volta da Antoine Lavoisier nel 1787 senza però poterlo isolare, e venne successivamente scambiato per un composto da Humphry Davy nel 1808. Nel 1811 Gay Lussac e Thenard probabilmente prepararono del silicio amorfo impuro attraverso il trattamento del tetrafluoruro di silicio con potassio fuso nel 1811. Nel 1824 Berzelius preparò del silicio amorfo usando all'incirca lo stesso metodo di Gay Lussac. Berzelius inoltre purificò il prodotto attraverso successivi lavaggi. A lui viene riconosciuta la scoperta dell'elemento.

Caratteristiche

Il silicio è il secondo elemento per abbondanza terrestre (dopo l'ossigeno) ma non si trova allo stato elementare, a differenza del carbonio, rispetto al quale è chimicamente molto più reattivo.

A differenza del carbonio, ma come il germanio, il silicio è un metalloide. Allo stato solido ha la struttura cubica del diamante ed è un semiconduttore, mentre il carbonio nell'analoga struttura, è meglio descrivibile come un isolante. Sia con il carbonio che con il germanio, il silicio forma dei composti cristallini 1:1 (SiC, carburo di silicio e SiGe, germaniuro di silicio), che sono entrambi semiconduttori IV-IV. A tal proposito, il silicio elementare, con un band-gap di 1,12 eV, costituisce attualmente la base dell'industria elettronica: diodi, transistor, circuiti integrati, microprocessori, pannelli fotovoltaici, etc., e in piccola parte anche il germanio, sebbene solo in particolari nicchie tecnologiche e più che altro in passato.

Nella sua forma cristallina, il silicio è un solido covalente con struttura cubica analoga a quella del diamante; è duro, 6,5-7 in scala Mohs, sebbene molto meno del diamante (10), ma è fragile; ha un colore grigio argento e una lucentezza metallica, ma il suo colore può variare: nella forma amorfa è una polvere bruna. Anche se è un elemento relativamente inerte nei confronti della maggior parte degli acidi (eccetto l'acido fluoridrico, con cui reagisce dando SiF4), reagisce con gli alogeni e gli alcali, anche se diluiti.

Chimica nucleare

Il silicio ha come numero atomico 14, massa atomica 28,0855 u e massa monoisotopica pari a 27,976926534 u.

Isotopi

Dell'elemento silicio si conoscono almeno ventitré isotopi, i cui numeri di massa vanno da A = 22 ad A = 44. Tra questi, gli isotopi del silicio presenti in natura sono tre: 28Si (92,23%), 29Si (4,67%), 30Si (3,10%). Tutti e tre sono isotopi stabili.

Isotopi stabili

Il 28Si (spin 0), ha i protoni e i neutroni in rapporto 1:1 ed è l'isotopo di gran lunga più abbondante del silicio. Il suo nucleo si forma preponderantemente nel processo di fusione dell'ossigeno all'interno di stelle massive e in supernove di tipo Ia, insieme a quantità parecchio minori degli altri due isotopi 29Si e 30Si, dato che il 28Si si forma anche attraverso il processo alfa (7 particelle α). Nel collasso e successiva esplosione di supernovae di tipo II tale processo è poi seguito proprio da quello della fusione del silicio, che rappresenta lo stadio finale sella nucleosintesi stellare.

Il 29Si (spin 1/2) è l'unico nuclide del silicio ad avere uno spin nucleare, rendendo possibile l'applicazione su di esso della risonanza magnetica nucleare per i composti di silicio; il valore di 1/2 comporta assenza di momento di quadrupolo nucleare e questo permette di ottenere spettri ad alta risoluzione. La recettività del nuclide è ben accettabile, essendo più che doppia rispetto a quella del 13C.

Il 30Si (spin 0) trova applicazioni nella produzione del radionuclide Si-31, in studi sulla diffusività degli atomi di silicio e in microelettronica. In particolare si esamina la possibilità di irradiare con neutroni (attivazione neutronica) dei chip di silicio in modo da trasformare il Si-30 in Si-31; questo, decadendo a P-31 (stabile), permette un drogaggio controllato di tipo N del chip stesso.

Isotopi radioattivi

Tolti i tre isotopi stabili, restano venti isotopi radioattivi del silicio. Di questi, i più longevi ed anche i più importanti sono due: il 31Si e il 32Si. Gli altri hanno emivite inferiori a 7 secondi.

Isotopo Spin Decadimento Risultato Emivita Energia rilasciata
26Si 0 β+ 26Al 2,234 s 4,04 MeV
27Si 5/2 β+ 27Al 4,16 s 3,79 MeV
31Si 3/2 β− 31P 2,622 h 1,492 MeV
32Si 0 β− 32P 153 y 224,3 keV
33Si 3/2 β− 33P 6,11 s

Abbondanza e disponibilità

Struttura chimica della silice (diossido di silicio)

Si tratta di un elemento in tracce che costituisce circa il 27,6% della crosta terrestre sotto forma di biossido di silicio. Il silicio non si trova libero in natura, ma si presenta principalmente sotto forma di ossidi e silicati. Alcune delle forme di ossido includono sabbia, quarzo, cristallo di rocca, ametista, agata, selce, diaspro e opale. Tra i numerosi minerali silicatici troviamo granito, orneblenda, amianto, feldspato e mica argillosa.

Di conseguenza i livelli naturali di silicio sono bassi, tuttavia l'alterazione chimica e biologica, da parte di piante, alghe e licheni, rilascia silicio dai minerali stabili, aumentandone la biodisponibilità.

Abbondanza
Matrice kg/kg
Crosta terrestre 2,82 × 10−1
Crosta superiore 3,08 × 10−1
Acqua di mare 2,2 × 10−6

La concentrazione di silicio nell'acqua dipende dalla geologia circostante. La silice presente negli alimenti proviene da fonti naturali, tra cui particelle di terreno aderenti alla superficie delle verdure, e può essere aggiunta tramite additivi. I frutti di mare sono ricchi di silicio con le cozze che presentano i livelli più elevati.

Quantità di silicio in alcuni alimenti
Alimento mg/100g
Frutta secca 10,54 ± 5,44
Cereali per la colazione 7,79 ± 6,31
Farina per il pane 2,87 ± 1,60
Birra 1,92 ± 0,66
Biscotti 1,56 ± 0,56
Riso 1,54 ± 1,00
Legumi 1,46 ± 1,23
Vino 1,35 ± 0,85
Frutta fresca e in scatola 1,34 ± 1,30
Pasta 1,11 ± 0,47
Tè e caffè 0,51 ± 0,28
Succo di frutta 0,38 ± 0,53
Acqua del rubinetto 0,37 ± 0,13
Liquori 0,13 ± 0,04
Carne e derivati 0,1 – 1,89
Latte e derivati 0,07 – 0,47

Caratteristiche atomiche

È il secondo elemento del gruppo 14 (IV nella nomenclatura precedente), 3° periodo della tavola periodica degli elementi. l'omologo del carbonio, con il quale ha in comune la tetravalenza.

Caratteristiche atomiche
Configurazione elettronica [Ne]3s23p2
Stati di ossidazione -4, -3, -2, -1, +1, +2, +3, +4
Energia di ionizzazione 1° 786.518
2° 1.577,134
3° 3.231,585
4° 4.355,523
5° 16.090,571
6° 19.805,55
7° 23.783,6
8° 29.287,16
Affinità elettronica 1,389517 ± 0,000044 eV
Elettronegatività (Pauling) 1,90
Polarizzabilità 37,3(7)
Raggio atomico 2,10 Å
Raggio ionico 40 pm (+4)
Raggio covalente 1,14 Å
Raggio di Van der Waals 210 pm

Metodi di preparazione

La preparazione del silicio monocristallino utilizzato nelle celle fotovoltaiche viene prodotto partendo dalla sabbia (), dove si trova legato chimicamente all'ossigeno, per cui la silice viene prima sottoposta ad una reazione chimica per ottenere il silicio, che viene poi purificato, fuso e quindi ricristallizzato in specifiche condizioni al fine di ridurre al minimo le impurità e i difetti.

Con i processi ad oggi disponibili è possibile produrre lingotti monocristallini di silicio ad elevata purezza alti due metri con un diametro di circo 30 cm che pesano quintali. Il cristallo così ottenuto viene tagliato a fette (wafer) che viene quindi sottoposto a specifiche lavorazioni in base al risultato che si vuole ottenere.

Il silicio viene preparato commercialmente tramite riscaldamento di silice 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:

Il silicio liquido si raccoglie in fondo alla fornace, e viene quindi prelevato e raffreddato. Il silicio prodotto tramite questo processo viene chiamato silicio di grado metallurgico (MGS) ed è puro al 98%.Un eccesso di carbonio può portare alla formazione del carburo di silicio:

Comunque, se la concentrazione di SiO2 è mantenuta elevata, il carburo di silicio può essere eliminato:

Per raggiungere gradi di purezza superiori necessari ad esempio per realizzare dispositivi elettronici a semiconduttore, è necessario praticare un'ulteriore purificazione ad esempio con il metodo Siemens.

Purificazione

Barra monocristallina di silicio

L'uso del silicio nei semiconduttori richiede una purezza più elevata di quella fornita dal silicio di grado metallurgico. Storicamente sono stati usati un numero di metodi diversi per produrre silicio ad alta purezza.

Metodi fisici

Lo stesso argomento in dettaglio: Processo a zona flottante.

Nella fusione a zona, il primo metodo di purificazione del silicio ad essere utilizzato su scala industriale, sbarre di silicio di grado metallurgico venivano riscaldate partendo da una delle sue estremità, fino a quando questa iniziava a fondersi. Il riscaldatore quindi veniva lentamente spostato lungo la barra mantenendo una piccola porzione fusa mentre il silicio si raffreddava e risolidificava dietro di essa.

Poiché la maggior parte delle impurità tendeva a rimanere nella parte fusa piuttosto che risolidificarsi, alla fine del processo queste si erano spostate nell'ultima parte della barra ad essere fusa. Questa estremità veniva quindi tagliata e gettata, ripetendo il processo se una purezza più elevata era necessaria.

Metodi chimici

Lo stesso argomento in dettaglio: Processo Siemens.

Nel processo Siemens, sbarre di silicio ultrapuro sono esposte al triclorosilano a 1150 °C; il gas di triclorosilano si decompone e deposita dell'altro silicio sulla barra, allargandola secondo la reazione chimica:

Il silicio prodotto da questo e da processi simili viene chiamato silicio policristallino. Il silicio policristallino ha un livello di impurità pari a 1 parte per miliardo o inferiore. Per un certo periodo, la DuPont produsse silicio ultrapuro facendo reagire il tetracloruro di silicio con vapori di zinco ad alta purezza a 950 °C, producendo silicio secondo la formula:

Questa tecnica era afflitta da problemi pratici (come il cloruro di zinco, un sottoprodotto, che si solidificava bloccando le linee) e venne abbandonata a favore del processo Siemens.

Cristallizzazione

Lo stesso argomento in dettaglio: Processo Czochralski.

Silicio drogato

Il silicio in forma cristallina può essere drogato utilizzando:

Caratteristiche chimico-fisiche

A differenza del carbonio, ma come il germanio, il silicio è un metalloide. La polvere di silicio amorfo si presenta come una polvere marrone scuro più densa dell'acqua. Brucia facilmente quando esposta al calore o alle fiamme e può essere difficile da estinguere. L'acqua potrebbe non essere efficace per spegnere le fiamme.

Se asciutto, può essere caricato elettrostaticamente. Nella sua forma cristallina, il silicio è presente sotto forma di cristalli aghiformi da neri a grigi e lucenti. Il silicio elementare trasmette più del 95% di tutte le lunghezze d'onda dell'infrarosso tra 1,3 e 6,7 μm.

Caratteristiche elettroniche
Configurazione elettronica [Ne]3s23p2
Energia di ionizzazione 8,15169 eV
Affinità protonica 837 kJ/mol
Affinità elettronica 1,389517 ± 0,000044 eV
Basicità del gas 814,1 kJ/mol
Energia di ionizzazione del legame covalente 1,2 eV a -273,15 °C
Stati di ossidazione -4, -3, -2, -1, +1, +2, +3, +4
Caratteristiche termodinamiche
Punto di ebollizione 2.355 °C
Punto di fusione 1.410 °C
Entalpia standard di formazione del gas (ΔfH°gas) 450,00 kJ/mol
Entalpia standard di formazione del liquido (ΔfH°liquido) 48,47 kJ/mol
Entalpia di vaporizzazione 16 kJ/g
Entropia di formazione del gas (S°gas,1 bar) 167,98 J/mol*K
Entropia di formazione del liquido (S°liquido,1 bar) 44,46 J/mol*K
Entropia di formazione del solido (S°solido) 18,82 J/mol*K
Coefficiente di dilatazione termica al congelamento 9,5%
Calore latente di vaporizzazione 385 kJ/mol
Calore specifico 0,71 J/g K
Potere calorifico -9,0550 × 10+8 J/kmol
Tensione superficiale del silicio liquido 736 dyn/cm al punto di fusione

720 dyn/cm a 1.500 °C

Parametri dell'equazione di Antoine (T= 1.723,85 - 2.286,85 °C) A = 9,56436

B = 23.308,848 C = -123,133

Coefficienti dell'equazione di Shomate per la fase solida (T = 24,85 - 1.411,85 °C) A = 22.81719

B = 3.899510

C = -0.082885

D = 0.042111

E = -0.354063

F = -8.163946

G = 43.27846

H = 0.000000

Coefficienti dell'equazione di Shomate per la fase liquida (T = 1.411,85 - 3.231,47 °C) A = 27.19604

B = -1.198306×10-10

C = 5.353262×10-11

D = -6.956612×10-12

E = -4.294375×10-12

F = 40.36163

G = 77.37178

H = 48.46997

Coefficienti dell'equazione di Shomate per la fase gassosa (T = 3.231,47 - 5.726,85 °C) A = 14.59321

B = 5.224644

C = -1.078879

D = 0.074000

E = 2.309405

F = 450.3365

G = 190.2494

H = 450.0018

Stato gassoso
Pressione di vapore 1 Pa a 1.635 °C

10 Pa a 1.829 °C 100 Pa a 2.066 °C 1 kPa a 2.363 °C 10 kPa a 2.748 °C 100 kPa a 3.264 °C

Volume critico 232,6 cm3/mol

Nel silicio monocristallino, la struttura molecolare è uniforme, poiché l'intera struttura cresce a partire dallo stesso cristallo. Questa uniformità è ideale per il trasferimento efficiente degli elettroni attraverso il materiale. Il silicio semicristallino è composto da diversi cristalli più piccoli o grani, che introducono barriere. Queste barriere ostacolano il flusso degli elettroni e li incoraggiano a ricombinarsi con le lacune. Tuttavia, il silicio semicristallino è molto meno costoso da produrre rispetto al silicio monocristallino.

Stato solido
Densità 2,33 g/cm3 a 25 °C/4 °C
Densità atomica 5 × 10+22 atomi/cm3
Densità del solido al punto di fusione 2,30 g/cm3
Densità del liquido al punto di fusione 2,51 g/cm3
Struttura cristallina diamante-cubico a facce centrate
Classe (H-M) m3m (4/m 3 2/m) - esottaedrica
Gruppo spaziale Fd3m
Parametro della cella (a) 5,431 Å
Volume della cella 160,19 ų
Costante reticolare a 25 °C 5,41987 × 10−8 cm
Modulo di compressibilità 0,978 a 25 × 10+3 kg/cm2

0,940 a 100 × 10+3 kg/cm2

Costante dielettrica 13
Mobilità elettronica a 26,85 °C 1.500 cm²/volt/sec
Costante di diffusione degli elettroni a 26,85 °C 38
Mobilità delle lacune a 26,85 °C 500 cm²/volt/sec
Costante di diffusione delle lacune a 26,85 °C 13
Densità di carica intrinseca a 26,85 °C 1,5 × 10¹⁰
Scala di durezza Knoop 950 - 1.150
Mohs 7
Tensione superficiale al punto di fusione 885 mJ/m2
Indice di rifrazione λ = 1,5 μm T = − 243,15 °C 8,61 e−05
T = − 198,15 °C 1,35 e−04
T = − 173,15 °C 1,2 e−04
T = − 73,15 °C 9,16 e−05
T = 21,85 °C 8,67 e−05
λ = 3 μm T = − 243,15 °C 5 e−05
T = − 198,15 °C 1,08 e−04
T = − 173,15 °C 9,14 e−05
T = − 73,15 °C 5,52 e−05
T = 21,85 °C 4,55 e−05
λ = 4 μm T = − 243,15 °C 4,94 e−05
T = − 198,15 °C 1,07 e−04
T = − 173,15 °C 9,07 e−05
T = − 73,15 °C 5,44 e−05
T = 21,85 °C 4,47e−05
λ = 5 μm T = − 243,15 °C 4,47e−05
T = − 198,15 °C 1,07 e−04
T = − 173,15 °C 9 e−05
T = − 73,15 °C 5,42 e−05
T = 21,85 °C 4,46 e−05
Proprietà di trasporto
Viscosità dinamica del silicio liquido 0,88 cP al punto di fusione

0,7 cP a 1.500 °C

Viscosità cinematica del silicio liquido 0,347 cSt al punto di fusione

0,28 cSt a 1.500 °C

Banda proibita 1,106 eV
Capacità termica media (16 - 100 °C) 0,1774 cal/g/°C
Conducibilità termica

Caratteristiche chimiche

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Silicio
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolareSi
Numero CAS7440-21-3
Numero EINECS231-130-8
PubChem5461123
DrugBankDBDB12982
SMILES
[Si]
Indicazioni di sicurezza
Limiti di esplosioneinferiore: 160 g/m3
Simboli di rischio chimico
Infiammabile
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Il silicio elementare risulta:

Spettri analitici

Composti

Lo stesso argomento in dettaglio: Silicato, Siliciuri e Silani.

Nei composti il silicio compare esclusivamente con valenza 4, infatti l'Si+2 forma composti poco stabili, tra cui uno dei più conosciuti è il monossido di silicio, un solido vetroso che tende a disproporzionare a Si e silice.[senza fonte]

Sia con il carbonio che con il germanio, il silicio forma composti cristallini 1:1 (SiC, carburo di silicio e SiGe, germaniuro di silicio), entrambi semiconduttori IV-IV. Il silicio fuso è immiscibile sia nello stagno fuso che nel piombo fuso.

La dissoluzione del silicio dai minerali del suolo in acqua porta alla formazione, per idrolisi, di specie di silice solubili. Al di sotto del pH 9 e con una concentrazione totale di silicio inferiore a 2 mM, il silicio è presente principalmente sotto forma di acido ortosilicico Si(OH)₄, la specie più stabile a basse concentrazioni dell'elemento. A pH neutro, questa specie tetraedrica e neutra è relativamente inerte, ma può subire reazioni di polimerizzazione per formare specie di silice di dimensioni maggiori (acido polisilicico), specialmente a concentrazioni di silicio superiori a 2-3 mM. Si ritiene che solo in soluzioni molto diluite il monomero si trovi nella sua forma pura, poiché spesso è presente anche il dimero [(HO)₃Si-O-Si(OH)₃], mai oltre il 2%, anche in soluzioni con concentrazioni di silicio ben inferiori a 2 mM.

A concentrazioni di silicio superiori a 2 mM, Si(OH)₄ subisce polimerizzazione formando piccoli oligomeri (trimeri e tetrameri lineari e ciclici o decameri ciclici) e, a concentrazioni molto superiori a 2 mM, si formano anche piccole specie colloidali che, aggregandosi, portano alla formazione di un precipitato amorfo che, a pH neutro (pH 6-7), assume la forma di un gel.

Alcuni esempi di composti contenenti silicio sono: l'acido silicilico o silice (SiO3), il solfuro di silicio (SiS3), il cloruro di silicio (SiCl3), il clorosolfuro di silicio (SiSCl2), il bromuro di silicio (SiBr3), il fluoruro di silicio (SiF3), l'acido idrofluosilicico (H3Si2F9), il siliciuro di potassio, il carburo di silicio (SiC4) e il nitruro di silicio.

Esistono inoltre gli esteri ortosilicici (R4SiO4) dove R è un radicale organico. Il silicio può legarsi attraverso l'atomo di azoto con proteine, amminoacidi, aminozuccheri e carboidrati, formando il legame Si-O-C(N).

Reazioni

Si tratta di un forte agente riducente che reagisce violentemente con:

Una miscela di silicio, alluminio e ossido di piombo esplode quando viene riscaldata. Quando il trifluoruro di manganese viene riscaldato nel vetro, si verifica una reazione violenta che coinvolge il silicio presente nel vetro stesso. La reazione tra il silicio e la lega sodio-potassio produce siliciuro di sodio, che è spontaneamente infiammabile all'aria.

Durante la riduzione dell'esafluoruro di iridio, dell'esafluoruro di osmio o dell'esafluoruro di renio con il silicio per ottenere i pentafluoruri, gli esafluoruri non devono essere condensati direttamente sulla polvere di silicio non diluita, altrimenti potrebbero verificarsi esplosioni. Lo stesso vale per l'esafluoruro di molibdeno e l'esafluoruro di uranio.

Ulteriori reazioni

ΔrH° = 350 ± 13 kJ/mol
ΔrH° = 411 ± 29 kJ/mol

Determinazione

Il composto può essere determinato:

Ruolo biologico

Diatomee

Risalenti ai periodi Giurassico, Cretaceo e persino Devoniano, le diatomee sono un gruppo di alghe unicellulari che formano sedimenti diatomici. Questi depositi si presentano sotto forma di ardesia o terra di diatomee sciolta e, nella sua forma pura e non lavorata, comprendono in media l'85-90% di biossido di silicio in forma amorfa.

Spugne

Le specie appartenenti alla classe delle Hyalospongiae (spugne a 6 raggi) presentano uno scheletro siliconico-organico costituito da bastoncelli circondati da un'ampia matrice organica, mentre quelle appartenenti alla classe delle Demospongiae presentano spicole silicee. In entrambi i casi vi sono evidenze fossili della presenza dei tali strutture.

Piante

Le piante assorbono e accumulano silicio dal suolo e dalle soluzioni del terreno, incorporandolo come componente strutturale per conferire forza e rigidità agli steli, come avviene nei cereali e nelle graminacee. Alcune piante, come l’equiseto (E. arvense), necessitano del silicio come elemento essenziale. Queste piante, definite accumulatori di Si, sono generalmente monocotiledoni, tra cui cereali, graminacee (ad esempio riso) e alcune piante erbacee.

Queste accumulano da 10 a 20 volte più silicio rispetto alle dicotiledoni (ad esempio legumi). Infatti, alcune monocotiledoni assorbono e trasportano attivamente il silicio e di recente sono stati identificati geni correlati al silicio. Le piante producono silice biogena (fitolitica), spesso associata ai componenti polisaccaridici/carboidrati della parete cellulare.

Le piante assorbono naturalmente l'acido silicico, che viene polimerizzato in corpi solidi di silice, cellule di silice o fitoliti. In questi fitoliti, l'idrogeno e la cellulosa si legano all'interno delle pareti cellulari sotto forma di biossido di silicio, SiO₂·nH₂O.

Essere umano

Il silicio è stato a lungo considerato un contaminante universale inerte senza proprietà biologiche o tossicologiche, "un promemoria fortuito della nostra origine geochimica o un indicatore dell'esposizione ambientale". Studi sugli animali condotti negli anni '70 hanno riportato che una carenza di silicio provoca difetti nei tessuti connettivi e scheletrici, ovvero che il silicio è concentrato nella zona di mineralizzazione dell'osso in crescita.

Il silicio è un elemento chimico necessario in minime quantità (1 - 2 g) per la corretta crescita, sviluppo e fisiologia dell'organismo. In generale, il silicio è coinvolto nel metabolismo del tessuto connettivo ed è importante per la biosintesi del collagene e dei glicosaminoglicani, necessari per la formazione ossea. Inoltre, il silicio è essenziale per il funzionamento della polidrossilasi, responsabile della formazione di collagene, elastina, cartilagine e altri tessuti connettivi. La carenza di silicio può causare ossa deboli e malformate, osteoporosi, malattia di Alzheimer, decalcificazione ossea, malattie cardiovascolari e aterosclerosi.

Il silicio è inoltre coinvolto nel mantenimento e nella crescita di capelli e unghie. Un eccesso di silicio può causare emolisi dei globuli rossi e causare alterazioni cellulari come conseguenza diretta. La farmacopea sta esaminando eventuali utilizzi di composti organici del silicio per lo sviluppo di farmaci.

La principale via di ingresso del silicio nel corpo è attraverso il tratto gastrointestinale. Tuttavia, l'assorbimento gastrointestinale, il metabolismo e l'escrezione del silicio sono ancora poco compresi. L'assorbimento del silicio inoltre è fortemente influenzato dalla forma della silice ingerita ed è correlato alla velocità di produzione delle specie di silice solubili e assorbibili. L'escrezione urinaria di silicio, considerata un buon indicatore dell'assorbimento, è correlata all'assunzione alimentare di questo elemento.

Charnot e Pérès hanno suggerito che il metabolismo del silicio sia controllato dagli ormoni steroidei e tiroidei e che un'attività ormonale o tiroidea insufficiente o ridotta, come avviene con l'invecchiamento, diminuisce l'assorbimento del silicio.

Tossicologia

Lo stesso argomento in dettaglio: Silicosi.

Il silicio può causare irritazione meccanica agli occhi e alle vie respiratorie con tosse. Se bruciato emette gas tossici. L'esposizione prolungata al biossido di silicio può provocare la silicosi.

Limiti di esposizione
TWA 10 mg/m3 (totale)

5 mg/m3 (respirabile)

REL-TWA 10 mg/m³ (totale)

5 mg/m³ (respirabile)

PEL 15,0 mg/m3 (totale)

5 mg/m3 (respirabile)

PEL-TWA (8 ore) 15,0 mg/m3 (totale)

5 mg/m3 (respirabile)

Effetti acuti
Organismo Test Somministrazione Dose
Ratto DL50 orale 3160 mg/kg
LDLo intraperitoneale 500 mg/kg

Applicazioni

Il silicio e i suoi composti sono utilizzati in molteplici ambiti:

Poiché il silicio è un importante elemento semiconduttore, il principale di tutta l'industria elettronica, la regione della Silicon Valley in California, nota per le numerose aziende di informatica ed elettronica, prende il suo nome proprio da questo elemento (silicio in inglese si traduce in silicon).

Nella fantascienza

Si parla spesso di forme di vita a base di silicio principalmente a causa delle analogie chimiche tra silicio e carbonio e a discussioni filosofiche che si interrogano sul fatto che i computer e i robot (i cui microprocessori sono costruiti in silicio) possano essere pensati come delle particolari "forme di vita". L'idea che la vita potesse basarsi sul silicio anziché sul carbonio fu proposta per la prima volta nel 1891 dall'astrofisico tedesco Julius Scheiner. Tuttavia, nonostante la sua abbondanza, la vita terrestre utilizza il silicio solo sotto forma di acido silicico e silice. Non esistono esempi noti di vita che utilizzi altri tipi di chimica del silicio. Quando si parla di "vita basata sul silicio", ci si riferisce solitamente alla diversificata chimica organosiliconica, e in particolare alla chimica in cui il carbonio nelle molecole organiche viene sostituito dal silicio.

L'espediente della creatura basata sul silicio è spesso utilizzato per proporre il tema dell'alieno come "qualcosa che non può essere compreso", qualcosa di alternativo e incompatibile, talmente diverso da essere addirittura basato su elementi chimici differenti. Le serie manga Blame! e la ottava parte de Le bizzarre avventure di JoJo (JoJolion) ad esempio sviluppano notevolmente il tema facendo degli esseri a base di silicio alcuni tra gli antagonisti principali con capacità fisiche estremamente più sviluppate di quelle di un comune essere umano, forse ad ipotizzare la superiorità dell'elemento, rispetto al carbonio, nel generare forme di vita resistenti.

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