Silicio

El silicio es un elemento químico con el símbolo Si y el número atómico 14. Es un sólido cristalino duro y quebradizo con un brillo metálico gris azulado, y es un metaloide tetravalente y semiconductor. Es un miembro del grupo 14 en la tabla periódica: el carbono está por encima de él; y germanio, estaño, plomo y flerovio están debajo de él. Es relativamente poco reactivo.

Debido a su alta afinidad química por el oxígeno, no fue hasta 1823 que Jöns Jakob Berzelius pudo por primera vez prepararlo y caracterizarlo en forma pura. Sus óxidos forman una familia de aniones conocidos como silicatos. Sus puntos de fusión y ebullición de 1414 °C y 3265 °C, respectivamente, son los segundos más altos entre todos los metaloides y no metales, siendo superado únicamente por el boro.

El silicio es el octavo elemento más común en el universo por masa, pero muy rara vez se presenta como elemento puro en la corteza terrestre. Está ampliamente distribuido en el espacio en polvos cósmicos, planetoides y planetas como diversas formas de dióxido de silicio (sílice) o silicatos. Más del 90% de la corteza terrestre está compuesta por minerales de silicato, lo que convierte al silicio en el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre (alrededor del 28% en masa), después del oxígeno.

La mayor parte del silicio se usa comercialmente sin separarse, a menudo con muy poco procesamiento de los minerales naturales. Dicho uso incluye la construcción industrial con arcillas, arena silícea y piedra. Los silicatos se utilizan en el cemento Portland para mortero y estuco, y se mezclan con arena de sílice y grava para hacer concreto para pasarelas, cimientos y caminos. También se utilizan en cerámica blanca como la porcelana, y en el tradicional vidrio de cal sodada a base de silicato y muchos otros vidrios especiales. Los compuestos de silicio como el carburo de silicio se utilizan como abrasivos y componentes de cerámicas de alta resistencia. El silicio es la base de los polímeros sintéticos ampliamente utilizados llamados siliconas.

Desde finales del siglo XX hasta principios del siglo XXI se ha descrito como la era del silicio (también conocida como la era digital o la era de la información) debido al gran impacto que tiene el silicio elemental en la economía mundial moderna. La pequeña porción de silicio elemental altamente purificado que se usa en la electrónica de semiconductores (<10 %) es esencial para los transistores y los chips de circuitos integrados que se usan en la tecnología más moderna, como los teléfonos inteligentes y otras computadoras. En 2019, el 32,4 % del segmento del mercado de semiconductores se destinó a redes y dispositivos de comunicación, y se prevé que la industria de semiconductores alcance los 726 730 millones de USD para 2027.

El silicio es un elemento esencial en biología. La mayoría de los animales solo requieren rastros, pero algunas esponjas marinas y microorganismos, como las diatomeas y la radiolaria, secretan estructuras esqueléticas hechas de sílice. La sílice se deposita en muchos tejidos vegetales.

Historia

Debido a la abundancia de silicio en la corteza terrestre, los materiales naturales a base de silicio se han utilizado durante miles de años. Los cristales de roca de silicio eran familiares para varias civilizaciones antiguas, como los egipcios predinásticos que lo usaban para cuentas y pequeños jarrones, así como los antiguos chinos. El vidrio que contenía sílice fue fabricado por los egipcios desde al menos el año 1500 a. C., así como por los antiguos fenicios. Los compuestos de silicato natural también se utilizaron en varios tipos de mortero para la construcción de las primeras viviendas humanas.

Descubrimiento

En 1787, Antoine Lavoisier sospechó que la sílice podría ser un óxido de un elemento químico fundamental, pero la afinidad química del silicio por el oxígeno es lo suficientemente alta como para que no tuviera forma de reducir el óxido y aislar el elemento. Después de un intento de aislar el silicio en 1808, Sir Humphry Davy propuso el nombre "silicium" para silicio, del latín silex, silicis para pedernal, y agregó la terminación "-ium" porque creía que era un metal. La mayoría de los demás idiomas utilizan formas transliteradas del nombre de Davy, a veces adaptadas a la fonología local (p. ej., el alemán Silizium, el turco silisyum, el catalán silici). Algunos otros usan en cambio un calco de la raíz latina (por ejemplo, rusoкремний, de кремень "pedernal"; πυρίτιο griego de πυρ "fuego"; Pii finlandés de piikivi "pedernal", křemík checo de křemen " cuarzo", "pedernal").

Se cree que Gay-Lussac y Thénard prepararon silicio amorfo impuro en 1811, calentando potasio metálico recientemente aislado con tetrafluoruro de silicio, pero no purificaron ni caracterizaron el producto, ni lo identificaron como un elemento nuevo. El silicio recibió su nombre actual en 1817 por el químico escocés Thomas Thomson. Conservó parte del nombre de Davy pero agregó "-on" porque creía que el silicio era un no metal similar al boro y al carbono. En 1824, Jöns Jacob Berzelius preparó silicio amorfo usando aproximadamente el mismo método que Gay-Lussac (reduciendo el fluorosilicato de potasio con potasio metálico fundido), pero purificando el producto a un polvo marrón lavándolo repetidamente. Como resultado, generalmente se le da crédito por el descubrimiento del elemento.El mismo año, Berzelius se convirtió en el primero en preparar tetracloruro de silicio; El tetrafluoruro de silicio ya había sido preparado mucho antes en 1771 por Carl Wilhelm Scheele disolviendo sílice en ácido fluorhídrico.

El silicio en su forma cristalina más común no fue preparado hasta 31 años después por Deville. Al electrolizar una mezcla de cloruro de sodio y cloruro de aluminio que contenía aproximadamente un 10% de silicio, pudo obtener un alótropo de silicio ligeramente impuro en 1854. Posteriormente, se desarrollaron métodos más rentables para aislar varias formas alótropas, siendo la más reciente silicona en 2010.Mientras tanto, continuaron las investigaciones sobre la química del silicio; Friedrich Wöhler descubrió los primeros hidruros volátiles de silicio, sintetizando triclorosilano en 1857 y el propio silano en 1858, pero Alfred Stock no llevó a cabo una investigación detallada de los silanos hasta principios del siglo XX, a pesar de las primeras especulaciones sobre el tema que datan de mucho tiempo atrás. como los comienzos de la química orgánica sintética en la década de 1830. De manera similar, el primer compuesto de organosilicio, el tetraetilsilano, fue sintetizado por Charles Friedel y James Crafts en 1863, pero la caracterización detallada de la química del organosilicio solo fue realizada a principios del siglo XX por Frederic Kipping.

A partir de la década de 1920, el trabajo de William Lawrence Bragg sobre la cristalografía de rayos X logró dilucidar con éxito las composiciones de los silicatos, que se conocían previamente a partir de la química analítica pero aún no se habían entendido, junto con el desarrollo de la química de cristales de Linus Pauling y Victor Goldschmidt. desarrollo de la geoquímica. A mediados del siglo XX se produjo el desarrollo de la química y el uso industrial de los siloxanos y el uso creciente de polímeros, elastómeros y resinas de silicona. A fines del siglo XX, se cartografió la complejidad de la química cristalina de los siliciuros, junto con la física del estado sólido de los semiconductores dopados.

Semiconductores de silicio

Los primeros dispositivos semiconductores no usaban silicio, sino galena, incluido el detector de cristal del físico alemán Ferdinand Braun en 1874 y el detector de cristal de radio del físico indio Jagadish Chandra Bose en 1901. El primer dispositivo semiconductor de silicio fue un detector de cristal de radio de silicio, desarrollado por un ingeniero estadounidense. Greenleaf Whittier Pickard en 1906.

En 1940, Russell Ohl descubrió la unión p-n y los efectos fotovoltaicos en el silicio. En 1941, se desarrollaron técnicas para producir cristales de germanio y silicio de alta pureza para cristales detectores de microondas de radar durante la Segunda Guerra Mundial. En 1947, el físico William Shockley teorizó sobre un amplificador de efecto de campo hecho de germanio y silicio, pero no logró construir un dispositivo que funcionara y, finalmente, trabajó con germanio. El primer transistor en funcionamiento fue un transistor de punto de contacto construido por John Bardeen y Walter Brattain más tarde ese año mientras trabajaba para Shockley. En 1954, el químico físico Morris Tanenbaum fabricó el primer transistor de unión de silicio en Bell Labs. En 1955, Carl Frosch y Lincoln Derick en Bell Labs descubrieron accidentalmente que el dióxido de silicio (SiO ₂) podría cultivarse en silicio, y luego propusieron que esto podría enmascarar las superficies de silicio durante los procesos de difusión en 1958.

Era del silicio

La "Era del silicio" se refiere a finales del siglo XX hasta principios del siglo XXI. Esto se debe a que el silicio es el material dominante de la Era del Silicio (también conocida como la Era Digital o la Era de la Información), similar a cómo la Edad de Piedra, la Edad del Bronce y la Edad del Hierro fueron definidas por los materiales dominantes durante sus respectivas edades de civilización.

Debido a que el silicio es un elemento importante en los dispositivos semiconductores de alta tecnología, muchos lugares del mundo llevan su nombre. Por ejemplo, Santa Clara Valley en California adquirió el apodo de Silicon Valley, ya que el elemento es el material base en la industria de semiconductores allí. Desde entonces, muchos otros lugares se han denominado de manera similar, incluidos Silicon Wadi en Israel, Silicon Forest en Oregón, Silicon Hills en Austin, Texas, Silicon Slopes en Salt Lake City, Utah, Silicon Saxony en Alemania, Silicon Valley en India, Silicon Border en Mexicali, México, Silicon Fen en Cambridge, Inglaterra, Silicon Roundabout en Londres, Silicon Glen en Escocia, Silicon Gorge en Bristol, Inglaterra, Silicon Alley en Nueva York, Nueva York y Silicon Beach en Los Ángeles, California.

Características

Físico y atómico

Un átomo de silicio tiene catorce electrones. En el estado fundamental, están dispuestos en la configuración electrónica [Ne]3s 3p. De estos, cuatro son electrones de valencia, ocupando el orbital 3s y dos de los orbitales 3p. Al igual que los otros miembros de su grupo, el carbono más liviano y el germanio, el estaño y el plomo más pesados, tiene el mismo número de electrones de valencia que orbitales de valencia: por lo tanto, puede completar su octeto y obtener la configuración de gas noble estable del argón por formando orbitales híbridos sp, formando derivados tetraédricos SiX ₄ donde el átomo de silicio central comparte un par de electrones con cada uno de los cuatro átomos a los que está unido.Las primeras cuatro energías de ionización del silicio son 786,3, 1576,5, 3228,3 y 4354,4 kJ/mol respectivamente; estas cifras son lo suficientemente altas como para excluir la posibilidad de una química catiónica simple para el elemento. Siguiendo tendencias periódicas, su radio covalente de enlace simple de 117,6 pm es intermedio entre los del carbono (77,2 pm) y el germanio (122,3 pm). El radio iónico hexacoordinado del silicio puede considerarse de 40 pm, aunque debe tomarse como una cifra puramente teórica dada la falta de un catión Si simple en la realidad.

Eléctrico

A temperatura y presión estándar, el silicio es un semiconductor brillante con un lustre metálico gris azulado; como es típico de los semiconductores, su resistividad cae a medida que aumenta la temperatura. Esto surge porque el silicio tiene una pequeña brecha de energía (banda prohibida) entre sus niveles de energía ocupados más altos (la banda de valencia) y los desocupados más bajos (la banda de conducción). El nivel de Fermi está aproximadamente a medio camino entre las bandas de valencia y conducción y es la energía en la que es probable que un electrón ocupe un estado o no. Por lo tanto, el silicio puro es efectivamente un aislante a temperatura ambiente. Sin embargo, dopar el silicio con un pnictógeno como fósforo, arsénico o antimonio introduce un electrón adicional por dopante y estos pueden ser excitados en la banda de conducción térmica o fotolíticamente, creando un semiconductor de tipo n. Similarmente, La unión de silicio de tipo n con silicio de tipo p crea una unión ap-n con un nivel de Fermi común; los electrones fluyen de n a p, mientras que los huecos fluyen de p a n, creando una caída de voltaje. Esta unión p-n actúa como un diodo que puede rectificar la corriente alterna que permite que la corriente pase más fácilmente en un sentido que en el otro. Un transistor es una unión n-p-n, con una capa delgada de silicio de tipo p débil entre dos regiones de tipo n. La polarización del emisor a través de un voltaje directo pequeño y el colector a través de un voltaje inverso grande permite que el transistor actúe como un amplificador de triodo.

Estructura cristalina

El silicio cristaliza en una estructura covalente gigante en condiciones estándar, concretamente en una red cúbica de diamante (grupo espacial 227). Por lo tanto, tiene un alto punto de fusión de 1414 °C, ya que se requiere mucha energía para romper los fuertes enlaces covalentes y fundir el sólido. Al derretirse, el silicio se contrae a medida que la red tetraédrica de enlaces de largo alcance se rompe y los vacíos en esa red se llenan, de manera similar al hielo de agua cuando los enlaces de hidrógeno se rompen al derretirse. No tiene ningún alótropo termodinámicamente estable a presión estándar, pero se conocen varias otras estructuras cristalinas a presiones más altas. La tendencia general es la de aumentar el número de coordinación con la presión, que culmina en un alótropo compacto hexagonal de aproximadamente 40 gigapascales conocido como Si-VII (la modificación estándar es Si-I). Un alótropo llamado BC8 (o bc8), que tiene una red cúbica centrada en el cuerpo con ocho átomos por celda unitaria primitiva (grupo espacial 206), se puede crear a alta presión y permanece metaestable a baja presión. Sus propiedades han sido estudiadas en detalle.

El silicio hierve a 3265 °C: esto, si bien es alto, sigue siendo inferior a la temperatura a la que se sublima su congénere más ligero, el carbono (3642 °C) y, de manera similar, el silicio tiene un calor de vaporización más bajo que el carbono, en consonancia con el hecho de que el Si– El enlace Si es más débil que el enlace C-C.

También es posible construir capas de silicona análogas al grafeno.

Isótopos

El silicio natural se compone de tres isótopos estables, Si (92,23 %), Si (4,67 %) y Si (3,10 %). De estos, solo el Si es útil en la espectroscopia de RMN y EPR, ya que es el único con un espín nuclear (I =1/2). Los tres se producen en supernovas de tipo Ia a través del proceso de combustión de oxígeno, y el Si se produce como parte del proceso alfa y, por lo tanto, es el más abundante. La fusión de Si con partículas alfa por reordenamiento de fotodesintegración en estrellas se conoce como proceso de combustión de silicio; es la última etapa de la nucleosíntesis estelar antes del rápido colapso y violenta explosión de la estrella en cuestión en una supernova de tipo II.

Se han caracterizado veinte radioisótopos, siendo los dos más estables el Si con una vida media de unos 150 años y el Si con una vida media de 2,62 horas. Todos los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias inferiores a siete segundos, y la mayoría de estos tienen vidas medias inferiores a una décima de segundo. El silicio tiene un isómero nuclear conocido, Si, con una vida media de menos de 210 nanosegundos. El Si sufre una desintegración beta de baja energía a P y luego S estable. El Si puede producirse mediante la activación de neutrones del silicio natural y, por lo tanto, es útil para el análisis cuantitativo; se puede detectar fácilmente por su decaimiento beta característico a P estable, en el que el electrón emitido transporta hasta 1,48 MeV de energía.

Los isótopos conocidos de silicio varían en número de masa de 22 a 44. El modo de desintegración más común de los isótopos con números de masa inferiores a los tres isótopos estables es la desintegración beta inversa, que forma principalmente isótopos de aluminio (13 protones) como productos de desintegración. El modo de desintegración más común para los isótopos inestables más pesados ​​es la desintegración beta, que forma principalmente isótopos de fósforo (15 protones) como productos de desintegración.

El silicio puede ingresar a los océanos a través del agua subterránea y el transporte fluvial. Los grandes flujos de entrada de agua subterránea tienen una composición isotópica que es distinta de las entradas fluviales de silicio. Las variaciones isotópicas en las aguas subterráneas y los transportes fluviales contribuyen a las variaciones en los valores oceánicos de Si. Actualmente, existen diferencias sustanciales en los valores isotópicos de las aguas profundas en las cuencas oceánicas del mundo. Entre los océanos Atlántico y Pacífico, existe un gradiente de Si en aguas profundas de más de 0,3 partes por mil. El Si se asocia más comúnmente con la productividad en los océanos.

Química y compuestos

El silicio cristalino a granel es bastante inerte, pero se vuelve más reactivo a altas temperaturas. Al igual que su vecino el aluminio, el silicio forma una capa superficial continua y delgada de dióxido de silicio (SiO ₂) que protege al metal de la oxidación. Por lo tanto, el silicio no reacciona apreciablemente con el aire por debajo de 900 °C, pero la formación de dióxido vítreo aumenta rápidamente entre 950 °C y 1160 °C y cuando se alcanzan los 1400 °C, el nitrógeno atmosférico también reacciona para dar los nitruros SiN y Si ₃ N ₄. El silicio reacciona con azufre gaseoso a 600 °C y fósforo gaseoso a 1000 °C. Sin embargo, esta capa de óxido no impide la reacción con los halógenos; el flúor ataca vigorosamente al silicio a temperatura ambiente, el cloro lo hace a unos 300 °C y el bromo y el yodo a unos 500 °C. El silicio no reacciona con la mayoría de los ácidos acuosos, pero se oxida y forma complejos con mezclas de ácido fluorhídrico que contienen cloro o ácido nítrico para formar hexafluorosilicatos. Se disuelve fácilmente en álcali acuoso caliente para formar silicatos.A altas temperaturas, el silicio también reacciona con haluros de alquilo; esta reacción puede ser catalizada por cobre para sintetizar directamente cloruros de organosilicio como precursores de polímeros de silicona. Al fundirse, el silicio se vuelve extremadamente reactivo, se alea con la mayoría de los metales para formar siliciuros y reduce la mayoría de los óxidos metálicos debido a que el calor de formación del dióxido de silicio es muy grande. De hecho, el silicio fundido reacciona prácticamente con todos los tipos conocidos de material de crisol (excepto su propio óxido, SiO ₂). Esto sucede debido a las altas fuerzas de unión del silicio para los elementos livianos y su alto poder de disolución para la mayoría de los elementos. Como resultado, los recipientes para el silicio líquido deben estar hechos de materiales refractarios no reactivos, como el dióxido de circonio o los boruros de los grupos 4, 5 y 6.

La coordinación tetraédrica es un motivo estructural importante en la química del silicio, al igual que lo es para la química del carbono. Sin embargo, la subcapa 3p es bastante más difusa que la subcapa 2p y no se hibrida tan bien con la subcapa 3s. Como resultado, la química del silicio y sus congéneres más pesados ​​muestra diferencias significativas con la del carbono y, por lo tanto, la coordinación octaédrica también es significativa.Por ejemplo, la electronegatividad del silicio (1,90) es mucho menor que la del carbono (2,55), porque los electrones de valencia del silicio están más alejados del núcleo que los del carbono y, por lo tanto, experimentan fuerzas de atracción electrostática más pequeñas desde el núcleo. La mala superposición de los orbitales 3p también da como resultado una tendencia mucho menor hacia la concatenación (formación de enlaces Si-Si) para el silicio que para el carbono, debido al debilitamiento concomitante del enlace Si-Si en comparación con el enlace C-C: el promedio La energía del enlace Si-Si es de aproximadamente 226 kJ/mol, en comparación con un valor de 356 kJ/mol para el enlace C-C.Esto da como resultado que los compuestos de silicio con enlaces múltiples sean generalmente mucho menos estables que sus contrapartes de carbono, un ejemplo de la regla del doble enlace. Por otro lado, la presencia de nodos radiales en los orbitales 3p del silicio sugiere la posibilidad de hipervalencia, como se ve en derivados del silicio de cinco y seis coordenadas como SiX₅y SiF₆. Por último, debido a la creciente brecha de energía entre los orbitales de valencia s y p a medida que el grupo desciende, el estado divalente crece en importancia desde el carbono hasta el plomo, por lo que se conocen algunos compuestos divalentes inestables para el silicio; esta disminución del estado de oxidación principal, junto con el aumento de los radios atómicos, da como resultado un aumento del carácter metálico en el grupo. El silicio ya muestra un comportamiento metálico incipiente, particularmente en el comportamiento de sus compuestos de óxido y su reacción con ácidos y bases (aunque esto requiere un poco de esfuerzo) y, por lo tanto, a menudo se lo denomina metaloide en lugar de no metal. Sin embargo, la metalicidad no se manifiesta en el grupo 14 hasta el germanio y dominante hasta el estaño, con la creciente importancia del estado de oxidación inferior +2.

El silicio muestra claras diferencias con el carbono. Por ejemplo, la química orgánica tiene muy pocas analogías con la química del silicio, mientras que los minerales de silicato tienen una complejidad estructural que no se ve en los oxocarbonos. El silicio tiende a parecerse mucho más al germanio que al carbono, y esta semejanza se ve reforzada por la contracción del bloque d, lo que hace que el tamaño del átomo de germanio sea mucho más cercano al del átomo de silicio de lo que predecirían las tendencias periódicas.Sin embargo, todavía existen algunas diferencias debido a la creciente importancia del estado divalente en el germanio en comparación con el silicio, lo que hace que el germanio sea significativamente más metálico que el silicio. Además, la menor fuerza de enlace Ge-O en comparación con la fuerza de enlace Si-O da como resultado la ausencia de polímeros de "germanona" que serían análogos a los polímeros de silicona.

Siliciuros

Se conocen muchos siliciuros metálicos, la mayoría de los cuales tienen fórmulas que no pueden explicarse apelando simplemente a la valencia: sus enlaces varían de metálicos a iónicos y covalentes. Algunas estequiometrías conocidas son M ₆ Si, M ₅ Si, M ₄ Si, M ₁₅ Si ₄, M ₃ Si, M ₅ Si ₂, M ₂ Si, M ₅ Si ₃, M ₃ Si ₂, MSi, M ₂ Si ₃, MSi ₂, MSi ₃ y MSi ₆. Son estructuralmente más similares a los boruros que a los carburos, de acuerdo con la relación diagonal entre el boro y el silicio, aunque el tamaño más grande del silicio que del boro significa que las analogías estructurales exactas son pocas y distantes entre sí. Los calores de formación de los siliciuros suelen ser similares a los de los boruros y carburos de los mismos elementos, pero suelen fundirse a temperaturas más bajas.Los siliciuros son conocidos para todos los elementos estables de los grupos 1 a 10, con la excepción del berilio: en particular, el uranio y los metales de transición de los grupos 4 a 10 muestran la gama más amplia de estequiometrías. A excepción del cobre, los metales de los grupos 11 a 15 no forman siliciuros. En cambio, la mayoría forma mezclas eutécticas, aunque los metales más pesados ​​posteriores a la transición, el mercurio, el talio, el plomo y el bismuto, son completamente inmiscibles con el silicio líquido.

Por lo general, los siliciuros se preparan por reacción directa de los elementos. Por ejemplo, los metales alcalinos y los metales alcalinotérreos reaccionan con el silicio o el óxido de silicio para dar siliciuros. Sin embargo, incluso con estos elementos altamente electropositivos, no se pueden obtener aniones de silicio verdaderos, y la mayoría de estos compuestos son semiconductores. Por ejemplo, los siliciuros de metales alcalinos (M)₄(Si₄) contienen silicio tricoordinado piramidal en el Si₄anión, isoelectrónico con fósforo blanco, P ₄. Los siliciuros ricos en metales tienden a tener átomos de silicio aislados (por ejemplo, Cu ₅ Si); a medida que aumenta el contenido de silicio, aumenta la concatenación, lo que da como resultado grupos aislados de dos (p. ej., U ₃ Si ₂) o cuatro átomos de silicio (p. ej., [K ] ₄ [Si ₄ ]) al principio, seguidos de cadenas (p. ej., CaSi), capas (p. ej., CaSi ₂), o redes tridimensionales de átomos de silicio que abarcan el espacio (por ejemplo, α-ThSi ₂) a medida que el contenido de silicio aumenta aún más.

Los siliciuros de los metales del grupo 1 y 2 suelen ser más reactivos que los siliciuros de metales de transición. Estos últimos no suelen reaccionar con reactivos acuosos, excepto el ácido fluorhídrico; sin embargo, reaccionan con reactivos mucho más agresivos, como el hidróxido de potasio líquido o el flúor o el cloro gaseosos cuando están al rojo vivo. En cambio, los siliciuros de metales de pretransición reaccionan fácilmente con agua y ácidos acuosos, generalmente produciendo hidrógeno o silanos:Na ₂ Si + 3 H ₂ O → Na ₂ SiO ₃ + 3 H ₂Mg ₂ Si + 2 H ₂ SO ₄ → 2 MgSO ₄ + SiH ₄

Los productos a menudo varían con la estequiometría del reactivo de siliciuro. Por ejemplo, Ca ₂ Si es polar y no conductor y tiene la estructura anti-PbCl ₂ con átomos de silicio aislados individuales y reacciona con el agua para producir hidróxido de calcio, dióxido de silicio hidratado y gas hidrógeno. CaSi con sus cadenas en zigzag de átomos de silicio reacciona para dar silanos y SiH ₂ polimérico, mientras que CaSi ₂ con sus capas fruncidas de átomos de silicio no reacciona con agua, pero reaccionará con ácido clorhídrico diluido: el producto es un sólido polimérico amarillo con estequiometría Si ₂ H ₂ O.

Silanos

La especulación sobre la química del hidruro de silicio comenzó en la década de 1830, contemporánea al desarrollo de la química orgánica sintética. El propio silano, así como el triclorosilano, fueron sintetizados por primera vez por Friedrich Wöhler y Heinrich Buff en 1857 al hacer reaccionar aleaciones de aluminio y silicio con ácido clorhídrico, y Charles Friedel y Albert Ladenburg lo caracterizaron como SiH ₄ y SiHCl ₃ en 1867. Disilano (Si ₂ H ₆) siguió en 1902, cuando Henri Moissan y Samuel Smiles lo hicieron por primera vez mediante la protonólisis de siliciuros de magnesio. La investigación adicional tuvo que esperar hasta 1916 debido a la gran reactividad e inestabilidad térmica de los silanos; Fue entonces cuando Alfred Stock comenzó a estudiar seriamente los hidruros de silicio con nuevas técnicas de vacío sin grasa, ya que se encontraron como contaminantes de su enfoque, los hidruros de boro. Los nombres silanos y boranos son suyos, por analogía con los alcanos.El método Moissan y Smiles de preparación de silanos y derivados de silano mediante protonolisis de siliciuros metálicos todavía se usa, aunque el rendimiento se reduce por la hidrólisis de los productos que ocurre simultáneamente, por lo que la ruta preferida hoy en día es tratar silanos sustituidos con hidruro reductor. agentes tales como hidruro de litio y aluminio en soluciones etéricas a bajas temperaturas. La reacción directa de HX o RX con silicio, posiblemente con un catalizador como el cobre, también es un método viable para producir silanos sustituidos.

Los silanos comprenden una serie homóloga de hidruros de silicio de fórmula general Si _n H _{2 n + 2}. Todos son agentes reductores fuertes. Se conocen cadenas ramificadas y no ramificadas hasta n =8, y los ciclos Si ₅ H ₁₀ y Si ₆ H ₁₂también son conocidos. Los dos primeros, silano y disilano, son gases incoloros; los miembros más pesados ​​de la serie son líquidos volátiles. Todos los silanos son muy reactivos y se incendian o explotan espontáneamente en el aire. Se vuelven menos estables térmicamente con la temperatura ambiente, de modo que solo el silano es indefinidamente estable a temperatura ambiente, aunque el disilano no se descompone muy rápidamente (solo el 2,5% de una muestra se descompone al cabo de ocho meses). Se descomponen para formar hidruro de polisilicio polimérico y gas hidrógeno.Como era de esperar por la diferencia de peso atómico, los silanos son menos volátiles que los correspondientes alcanos y boranos, pero más que los correspondientes germanos. Son mucho más reactivos que los alcanos correspondientes, debido al mayor radio del silicio en comparación con el carbono que facilita el ataque nucleofílico en el silicio, la mayor polaridad del enlace Si-H en comparación con el enlace C-H y la capacidad del silicio para expandir su octeto y por lo tanto formar aductos y disminuir la energía de activación de la reacción.

La pirólisis de silano da especies poliméricas y finalmente silicio elemental e hidrógeno; de hecho, el silicio ultrapuro se produce comercialmente mediante la pirólisis de silano. Mientras que la descomposición térmica de los alcanos comienza por la ruptura de un enlace C–H o C–C y la formación de radicales intermedios, los polisilanos se descomponen eliminando los sililenos:SiH ₂ o:SiHR, como energía de activación de este proceso (~210 kJ /mol) es mucho menor que las energías de enlace Si-Si y Si-H. Mientras que los silanos puros no reaccionan con agua pura o ácidos diluidos, las trazas de álcali catalizan la hidrólisis inmediata a dióxido de silicio hidratado. Si la reacción se lleva a cabo en metanol, la solvolisis controlada da como resultado los productos SiH ₂ (OMe) ₂, SiH(OMe) ₃ y Si(OMe) ₄. El enlace Si-H también se suma a los alquenos, una reacción que avanza lentamente y se acelera a medida que aumenta la sustitución del silano involucrado. A 450 °C, el silano participa en una reacción de adición con acetona, así como en una reacción de apertura de anillo con óxido de etileno. La reacción directa de los silanos con cloro o bromo da como resultado explosiones a temperatura ambiente, pero la reacción de silano con bromo a -80 °C está controlada y produce bromosilano y dibromosilano. Los monohalosilanos se pueden formar haciendo reaccionar el silano con el haluro de hidrógeno apropiado con un catalizador de Al ₂ X ₆, o haciendo reaccionar el silano con un haluro de plata sólido en un reactor de flujo calentado:SiH ₄ + 2 AgCl260 °C→ SiH ₃ Cl + HCl + 2 Ag

Entre los derivados del silano, el yodosilano (SiH ₃ I) y el silanuro de potasio (KSiH ₃) son intermediarios sintéticos muy útiles en la producción de compuestos que contienen silicio más complicados: este último es un sólido iónico cristalino incoloro que contiene cationes K y SiH₃aniones en la estructura de NaCl, y se produce por la reducción de silano por potasio metálico. Además, la especie hipervalente reactiva SiH₅también es conocido. Con sustituyentes orgánicos adecuados es posible producir polisilanos estables: tienen conductividades eléctricas sorprendentemente altas, que surgen de la deslocalización sigma de los electrones en la cadena.

Haluros

El silicio y el carburo de silicio reaccionan rápidamente con los cuatro halógenos estables, formando tetrahaluros de silicio incoloros, reactivos y volátiles. Calentar juntos dos tetrahaluros diferentes también produce una mezcla aleatoria de haluros mixtos, que también pueden producirse mediante reacciones de intercambio de halógenos. Los puntos de fusión y ebullición de estas especies generalmente aumentan al aumentar el peso atómico, aunque hay muchas excepciones: por ejemplo, los puntos de fusión y ebullición disminuyen cuando se pasa de SiFBr ₃ a SiFClBr ₂ a SiFCl ₂Hermano El cambio de los elementos hipoelectrónicos del Grupo 13 y anteriores a los elementos del Grupo 14 se ilustra mediante el cambio de una estructura iónica infinita en fluoruro de aluminio a una red de moléculas de tetrafluoruro de silicio covalente simple, según lo dictado por la menor electronegatividad del aluminio que del silicio. la estequiometría (el estado de oxidación +4 es demasiado alto para la verdadera ionicidad) y el tamaño más pequeño del átomo de silicio en comparación con el átomo de aluminio.

El tetracloruro de silicio se fabrica a gran escala como precursor de la producción de silicio puro, dióxido de silicio y algunos ésteres de silicio. Los tetrahaluros de silicio se hidrolizan fácilmente en agua, a diferencia de los tetrahaluros de carbono, nuevamente debido al mayor tamaño del átomo de silicio que lo hace más abierto al ataque nucleofílico y la capacidad del átomo de silicio para expandir su octeto del que carece el carbono. La reacción del fluoruro de silicio con un exceso de ácido fluorhídrico produce el anión hexafluorosilicato octaédrico SiF₆.

Análogamente a los silanos, también se conocen halopolisilanos Si _n X _{2 n + 2}. Mientras que la catenación en los compuestos de carbono se maximiza en los compuestos de hidrógeno en lugar de los haluros, lo contrario es cierto para el silicio, por lo que los halopolisilanos se conocen hasta al menos Si ₁₄ F ₃₀, Si ₆ Cl ₁₄ y Si ₄ Br ₁₀. Una explicación sugerida para este fenómeno es la compensación de la pérdida de electrones del silicio a los átomos de halógeno más electronegativos mediante el enlace posterior pi de los orbitales p _π llenos en los átomos de halógeno al d _{π vacío.}orbitales en el silicio: esto es similar a la situación del monóxido de carbono en los complejos de metal carbonilo y explica su estabilidad. Estos halopolisilanos se pueden producir por combinación de tetrahaluros de silicio con silicio elemental, o por condensación de halopolisilanos más ligeros (siendo el trimetilamonio un catalizador útil para esta reacción).

Sílice

Dióxido de silicio (SiO ₂), también conocido como sílice, es uno de los compuestos mejor estudiados, solo superado por el agua. Se conocen doce modificaciones cristalinas diferentes de sílice, siendo la más común el cuarzo α, un constituyente principal de muchas rocas como el granito y la arenisca. También se sabe que ocurre en forma pura como cristal de roca; las formas impuras se conocen como cuarzo rosa, cuarzo ahumado, morrión, amatista y citrino. También se conocen algunas formas de cuarzo poco cristalinas, como la calcedonia, la crisoprasa, la cornalina, el ágata, el ónix, el jaspe, el heliotropo y el pedernal. Se conocen otras modificaciones del dióxido de silicio en algunos otros minerales como la tridimita y la cristobalita, así como en la coesita y la stishovita, mucho menos comunes. Las formas generadas biológicamente también se conocen como kieselguhr y tierra de diatomeas. El dióxido de silicio vítreo se conoce como tectitas y obsidiana, y rara vez como lechatelierita. Algunas formas sintéticas se conocen como keatita. Los ópalos están compuestos de agregados cristalinos complicados de dióxido de silicio parcialmente hidratado.

• Cuarzo
• Ágata
• tridimita
• Cristobalita
• coesita

La mayoría de las formas cristalinas de sílice están formadas por arreglos infinitos de {SiO ₄} tetraedros (con Si en el centro) conectados en sus esquinas, con cada átomo de oxígeno unido a dos átomos de silicio. En la forma termodinámicamente estable a temperatura ambiente, α-cuarzo, estos tetraedros están unidos en cadenas helicoidales entrelazadas con dos distancias Si-O diferentes (159,7 y 161,7 pm) con un ángulo Si-O-Si de 144°. Estas hélices pueden ser diestras o zurdas, de modo que los cristales de cuarzo α individuales son ópticamente activos. A 537 °C, se transforma rápida y reversiblemente en el cuarzo β similar, con un cambio del ángulo Si-O-Si a 155° pero conservando la lateralidad. El calentamiento adicional a 867 °C da como resultado otra transición de fase reversible a β-tridimita, en la que algunos enlaces Si-O se rompen para permitir la disposición del {SiO ₄} tetraedros en una estructura hexagonal más abierta y menos densa. Esta transición es lenta y, por lo tanto, la tridimita se presenta como un mineral metaestable incluso por debajo de esta temperatura de transición; cuando se enfría a unos 120 °C, se transforma rápida y reversiblemente mediante ligeros desplazamientos de átomos individuales de silicio y oxígeno en α-tridimita, de manera similar a la transición de α-cuarzo a β-cuarzo. La β-tridimita se transforma lentamente en β-cristobalita cúbica a aproximadamente 1470 °C, que una vez más existe de forma metaestable por debajo de esta temperatura de transición y se transforma a 200–280 °C en α-cristobalita a través de pequeños desplazamientos atómicos. la β-cristobalita funde a 1713 °C; la congelación de la sílice de la masa fundida es bastante lenta y, en su lugar, es probable que ocurra la vitrificación, o la formación de un vidrio. En sílice vítrea, el {SiO ₄} los tetraedros permanecen conectados por las esquinas, pero se pierde la simetría y la periodicidad de las formas cristalinas. Debido a las lentas conversiones entre estas tres formas, es posible fundir β-cuarzo (1550 °C) o β-tridimita (1703 °C) con un calentamiento rápido. La sílice hierve a aproximadamente 2800 °C. Se conocen otras formas de sílice de alta presión, como la coesita y la stishovita: se conocen en la naturaleza, se forman bajo la presión de choque del impacto de un meteorito y luego se enfrían rápidamente para preservar la estructura cristalina. Se produce una fusión y enfriamiento similar de la sílice después de la caída de un rayo, formando lechatelierita vítrea. W-sílice es una forma inestable de baja densidad que involucra tetraedros {SiO ₄ } que comparten bordes opuestos en lugar de esquinas, formando cadenas paralelas de manera similar al disulfuro de silicio (SiS ₂) y diseleniuro de silicio (SiSe ₂): rápidamente vuelve a formar sílice amorfa con calor o trazas de agua

La sílice es bastante inerte químicamente. No es atacado por ningún otro ácido que no sea el ácido fluorhídrico. Sin embargo, se disuelve lentamente en álcalis concentrados calientes y lo hace con bastante rapidez en hidróxidos o carbonatos metálicos fundidos, para dar silicatos metálicos. Entre los elementos, solo es atacado por el flúor a temperatura ambiente para formar tetrafluoruro de silicio: el hidrógeno y el carbono también reaccionan, pero requieren temperaturas superiores a los 1000 °C para hacerlo. No obstante, la sílice reacciona con muchos óxidos metálicos y metaloides para formar una amplia variedad de compuestos importantes en las industrias del vidrio y la cerámica, sobre todo, pero que también tienen muchos otros usos: por ejemplo, el silicato de sodio se usa a menudo en detergentes debido a sus propiedades amortiguadoras, saponificantes, y propiedades emulsionantes

Ácidos silícicos

Agregar agua a la sílice reduce su punto de fusión en alrededor de 800 ° C debido a la ruptura de la estructura al reemplazar los enlaces Si-O-Si con grupos terminales Si-OH. El aumento de la concentración de agua da como resultado la formación de geles de sílice hidratados y dispersiones de sílice coloidal. Muchos hidratos y ácidos silícicos existen en las soluciones acuosas más diluidas, pero estos son bastante insolubles y rápidamente precipitan y condensan y se entrecruzan para formar varios ácidos polisilícicos de combinaciones variables siguiendo la fórmula [SiO _x (OH) _{4−2 x} ] _n, similar al comportamiento del boro, aluminio y hierro, entre otros elementos. Por lo tanto, aunque se han identificado algunos ácidos silícicos simples en soluciones diluidas, como el ácido ortosilícico Si(OH) ₄y ácido metasilícico SiO(OH) ₂, es probable que ninguno de ellos exista en estado sólido.

Minerales de silicato

Alrededor del 95% de las rocas de la corteza terrestre están hechas de sílice o silicato y minerales de aluminosilicato, como se refleja en el oxígeno, el silicio y el aluminio son los tres elementos más comunes en la corteza (en ese orden). Medido en masa, el silicio constituye el 27,7% de la corteza terrestre. Los cristales de silicio puro rara vez se encuentran en la naturaleza, pero las excepciones notables son los cristales de hasta 0,3 mm de ancho que se encuentran durante el muestreo de gases del volcán Kudriavy en Iturup, una de las islas Kuriles.

Los minerales de silicato y aluminosilicato tienen muchas estructuras diferentes y una estequiometría variable, pero pueden clasificarse siguiendo algunos principios generales. Las unidades tetraédricas {SiO ₄ } son comunes a casi todos estos compuestos, ya sea como estructuras discretas o combinadas en unidades más grandes al compartir los átomos de oxígeno de las esquinas. Estos se pueden dividir en neso -silicatos (unidades discretas {SiO ₄ }) que no comparten átomos de oxígeno, soro -silicatos (unidades discretas {Si ₂ O ₇ }) que comparten uno, ciclo -silicatos (estructuras de anillo cerrado) e ino -silicatos (cadenas continuas o estructuras de cinta) ambos comparten dos, filo-silicatos (láminas continuas) compartiendo tres, y tecto -silicatos (estructuras tridimensionales continuas) compartiendo cuatro. La red de átomos de oxígeno resultante suele estar empaquetada, o cerca de ella, con la carga equilibrada por otros cationes en varios sitios poliédricos diferentes según el tamaño.

Los ortosilicatos M₂SiO₄(M = Be, Mg, Mn, Fe, Zn) y ZrSiO ₄ son neso -silicatos. Ser₂SiO₄(fenacita) es inusual ya que tanto el Be como el Si ocupan sitios tetraédricos de cuatro coordenadas; los otros cationes divalentes en cambio ocupan seis sitios octaédricos coordinados y, a menudo, se reemplazan de manera isomorfa como en el olivino, (Mg,Fe,Mn) ₂ SiO ₄. El circón, ZrSiO ₄, exige ocho coordinaciones de los cationes Zr debido a la estequiometría ya su mayor radio iónico (84 pm). También son significativos los granates, [M₃METRO₂(SiO₄)₃], en el que los cationes divalentes (p. ej., Ca, Mg, Fe) están coordinados en ocho y los trivalentes están coordinados en seis (p. ej., Al, Cr, Fe). La coordinación regular no siempre está presente: por ejemplo, no se encuentra en Ca ₂ SiO ₄, que mezcla sitios de seis y ocho coordenadas para Ca. Los soro -silicatos, que implican unidades tetraédricas dobles o triples discretas, son bastante raros: también se conocen metasilicatos que implican unidades cíclicas "[(SiO ₃) _n ] " de tetraedros contiguos en las esquinas que forman un anillo poligonal.

Metasilicatos de cadena, {SiO₃}_∞, se forman compartiendo esquinas de una cadena indefinida de tetraedros {SiO _{4 } enlazados.} Surgen muchas diferencias debido a las diferentes distancias repetidas de conformación a lo largo de la línea de tetraedros. Una distancia repetida de dos es la más común, como en la mayoría de los minerales de piroxeno, pero también se conocen distancias repetidas de uno, tres, cuatro, cinco, seis, siete, nueve y doce. Estas cadenas pueden luego unirse entre sí para formar cadenas dobles y cintas, como en los minerales de asbesto, que involucran cadenas repetidas de anillos tetraédricos cíclicos.

Los silicatos en capas, como los minerales arcillosos y las micas, son muy comunes y, a menudo, se forman por entrecruzamiento horizontal de cadenas de metasilicato o condensación plana de unidades más pequeñas. Un ejemplo es la caolinita [Al ₂ (OH) ₄ Si ₂ O ₅ ]; en muchos de estos minerales el reemplazo de cationes y aniones es común, de modo que, por ejemplo, el Si tetraédrico puede ser reemplazado por Al, el Al octaédrico por Mg y el OH por F. Los aluminosilicatos de armazón tridimensional son estructuralmente muy complejos; pueden concebirse como partiendo de la estructura SiO ₂, pero reemplazando hasta la mitad de los átomos de Si con Al, requieren que se incluyan más cationes en la estructura para equilibrar la carga. Los ejemplos incluyen feldespatos (los minerales más abundantes en la Tierra), zeolitas y ultramarinos. Se puede pensar que muchos feldespatos forman parte del sistema ternario NaAlSi ₃ O ₈ –KAlSi ₃ O ₈ –CaAl ₂ Si ₂ O ₈. Su celosía es destruida por la alta presión, lo que provocó que Alsometerse a seis coordinaciones en lugar de cuatro coordinaciones, y esta reacción que destruye los feldespatos puede ser una razón para la discontinuidad de Mohorovičić, lo que implicaría que la corteza y el manto tienen la misma composición química, pero redes diferentes, aunque esto no es una creencia universal. vista. Las zeolitas tienen muchas cavidades poliédricas en sus marcos (los cuboctaedros truncados son los más comunes, pero otros poliedros también se conocen como cavidades de zeolita), lo que les permite incluir moléculas débilmente unidas como el agua en su estructura. Los ultramarinos alternan átomos de silicio y aluminio e incluyen una variedad de otros aniones como Cl, SO₄, y S₂, pero por lo demás son similares a los feldespatos.

Otros compuestos inorgánicos

El disulfuro de silicio (SiS ₂) se forma quemando silicio en azufre gaseoso a 100 °C; la sublimación del compuesto resultante en nitrógeno da como resultado fibras largas, flexibles y blancas que recuerdan al amianto con una estructura similar a la W-sílice. Esta funde a 1090 °C y se sublima a 1250 °C; a alta temperatura y presión, se transforma en una estructura cristalina análoga a la cristobalita. Sin embargo, el SiS ₂ carece de la variedad de estructuras del SiO ₂ y se hidroliza rápidamente a sílice y sulfuro de hidrógeno. También se amonoliza rápida y completamente con amoníaco líquido de la siguiente manera para formar una imida:SiS ₂ + 4 NH ₃ → Si(NH) ₂ + 2 NH ₄ SH

Reacciona con los sulfuros de sodio, magnesio, aluminio y hierro para formar tiosilicatos metálicos: la reacción con etanol da como resultado tetraetilsilicato Si(OEt) ₄ y sulfuro de hidrógeno. El silicato de etilo es útil ya que su hidrólisis controlada produce formas de sílice adhesivas o similares a películas. La reacción del sulfuro de hidrógeno con tetrahaluros de silicio produce tiohaluros de silicio como S(SiCl) ₃, Cl ₂ Si(μ-S) ₂ SiCl ₂ cíclico y (SiSCl ₂) ₄ cristalino. A pesar de la regla del doble enlace, se han obtenido organosilanotionas estables RR'Si=S gracias al mecanismo estabilizador de coordinación intermolecular a través de un grupo amino.

El nitruro de silicio, Si ₃ N ₄, se puede formar haciendo reaccionar directamente el silicio con nitrógeno por encima de 1300 °C, pero un medio de producción más económico es calentando sílice y coque en una corriente de gas nitrógeno e hidrógeno a 1500 °C. Sería una cerámica prometedora si no fuera por la dificultad de trabajar con ella y sinterizarla: químicamente, es casi totalmente inerte, e incluso por encima de los 1000 °C mantiene su fuerza, forma y sigue siendo resistente al desgaste y la corrosión. Es muy duro (9 en la escala de dureza de Mohs), se disocia solo a 1900 °C a 1 atm y es bastante denso (densidad 3,185 g/cm), debido a su estructura compacta similar a la de la fenacita (Be₂SiO₄). Un material refractario similar es el Si ₂ N ₂ O, formado al calentar silicio y sílice a 1450 °C en una corriente de argón que contiene 5 % de nitrógeno gaseoso, que involucra silicio de 4 coordenadas y nitrógeno de 3 coordenadas alternando en mosaicos hexagonales fruncidos interconectados por no- enlaces lineales Si-O-Si entre sí.

La reacción de haluros de sililo con amoníaco o derivados de alquilamonio en fase gaseosa o en solución etanólica produce varias sililamidas volátiles, que son análogos de silicio de las aminas:3 SiH ₃ Cl + 4 NH ₃ → N(SiH ₃) ₃ + 3 NH ₄ ClSiH ₃ Br + 2 Me ₂ NH → SiH ₃ NMe ₂ + Me ₂ NH ₂ Br4 SiH ₃ I + 5 N ₂ H ₄ → (SiH ₃) ₂ NN(SiH ₃) ₂ + 4 N ₂ H ₅ I

Se han preparado muchos de estos compuestos, siendo la única restricción conocida que el nitrógeno siempre es terciario y las especies que contienen el grupo SiH-NH son inestables a temperatura ambiente. La estequiometría alrededor del átomo de nitrógeno en compuestos como N(SiH ₃) ₃ es plana, lo que se ha atribuido a la interacción ap _π –d _π entre un par solitario en nitrógeno y un orbital d _π vacío en silicio. De manera similar, las trisililaminas son ligandos más débiles que sus análogos de carbono, las aminas terciarias, aunque la sustitución de algunos grupos SiH ₃ por grupos CH ₃ mitiga esta debilidad. Por ejemplo, N(SiH ₃) ₃no forma ningún aducto con BH ₃, mientras que MeN(SiH ₃) ₂ y Me ₂ NSiH ₃ forman aductos a bajas temperaturas que se descomponen con el calentamiento. Se conocen algunos análogos de silicio de las iminas, con un doble enlace Si=N: el primero encontrado fue Bu ₂ Si=N–SiBu ₃, descubierto en 1986.

El carburo de silicio (SiC) fue fabricado por primera vez por Edward Goodrich Acheson en 1891, quien lo llamó carborundo para hacer referencia a su dureza intermedia y poder abrasivo entre el diamante (un alótropo del carbono) y el corindón (óxido de aluminio). Pronto fundó una empresa para fabricarlo, y hoy en día se producen alrededor de un millón de toneladas cada año. El carburo de silicio existe en unas 250 formas cristalinas. El polimorfismo de SiC se caracteriza por una gran familia de estructuras cristalinas similares denominadas politipos. Son variaciones de un mismo compuesto químico que son idénticas en dos dimensiones y difieren en la tercera. Por lo tanto, pueden verse como capas apiladas en una determinada secuencia. Se fabrica industrialmente por reducción de arena de cuarzo con exceso de coque o antracita a 2000-2500 °C en un horno eléctrico:SiO ₂ + 2 C → Si + 2 COSi + C → SiC

Es el compuesto de silicio binario más estable térmicamente, y solo se descompone por pérdida de silicio a partir de alrededor de 2700 °C. Es resistente a la mayoría de los ácidos acuosos, siendo el ácido fosfórico una excepción. Forma una capa protectora de dióxido de silicio en la superficie y, por lo tanto, solo se oxida apreciablemente en aire por encima de 1000 °C; la eliminación de esta capa por hidróxidos o carbonatos fundidos conduce a una oxidación rápida. El carburo de silicio es atacado rápidamente por el cloro gaseoso, que forma SiCl ₄ y carbono a 100 °C y SiCl ₄ y CCl ₄a 1000 °C. Se utiliza principalmente como material abrasivo y refractario, ya que es químicamente estable y muy fuerte, y se fractura para formar un borde de corte muy afilado. También es útil como semiconductor intrínseco, así como semiconductor extrínseco al ser dopado. En su comportamiento similar al diamante, sirve como ilustración de la similitud química entre el carbono y el silicio.

Compuestos de organosilicio

Debido a que el enlace Si-C tiene una fuerza cercana al enlace C-C, los compuestos de organosilicio tienden a ser marcadamente estables térmica y químicamente. Por ejemplo, el tetrafenilsilano (SiPh ₄) se puede destilar en el aire incluso en su punto de ebullición de 428 °C, al igual que sus derivados sustituidos Ph ₃ SiCl y Ph ₂ SiCl ₂, que hierven a 378 °C y 305 °C respectivamente. Además, dado que el carbono y el silicio son congéneres químicos, la química del organosilicio muestra algunas similitudes significativas con la química del carbono, por ejemplo, en la propensión de dichos compuestos a la catenación y la formación de enlaces múltiples.Sin embargo, también surgen diferencias significativas: dado que el silicio es más electropositivo que el carbono, los enlaces a elementos más electronegativos son generalmente más fuertes con el silicio que con el carbono, y viceversa. Por lo tanto, el enlace Si-F es significativamente más fuerte que incluso el enlace C-F y es uno de los enlaces simples más fuertes, mientras que el enlace Si-H es mucho más débil que el enlace C-H y se rompe fácilmente. Además, la capacidad del silicio para expandir su octeto no la comparte el carbono y, por lo tanto, algunas reacciones de organosilicio no tienen análogos orgánicos. Por ejemplo, el ataque nucleofílico al silicio no procede por S _N 2 o S _N1 procesa, pero en cambio pasa por un verdadero intermedio pentacoordinado cargado negativamente y aparece como una sustitución en un átomo terciario impedido. Esto funciona para el silicio, a diferencia del carbono, porque los enlaces Si-C largos reducen el impedimento estérico y el orbital d del silicio no tiene restricciones geométricas para el ataque nucleofílico, a diferencia, por ejemplo, de un orbital antienlazante C-O σ*. Sin embargo, a pesar de estas diferencias, el mecanismo todavía se llama a menudo "S _N 2 en silicio" por simplicidad.

Uno de los grupos que contienen silicio más útiles es el trimetilsililo, Me ₃Si-. El enlace Si-C que lo conecta con el resto de la molécula es razonablemente fuerte, lo que le permite permanecer mientras el resto de la molécula sufre reacciones, pero no es tan fuerte como para que no pueda eliminarse específicamente cuando sea necesario, por ejemplo, mediante el ion fluoruro., que es un nucleófilo muy débil para compuestos de carbono pero muy fuerte para compuestos de organosilicio. Puede compararse con los protones ácidos; mientras que el trisililmetilo es eliminado por nucleófilos duros en lugar de bases, ambas eliminaciones generalmente promueven la eliminación. Como regla general, mientras que el carbono saturado es atacado mejor por nucleófilos que son compuestos neutros, aquellos basados ​​en no metales muy abajo en la tabla periódica (por ejemplo, azufre, selenio o yodo), o incluso ambos, el silicio es atacado mejor por nucleófilos cargados. particularmente aquellos que involucran no metales altamente electronegativos como el oxígeno, flúor o cloro. Por ejemplo, los enolatos reaccionan en el carbono de los haloalcanos, pero en el oxígeno de los cloruros de sililo; y cuando el trimetilsililo se elimina de una molécula orgánica usando hidróxido como nucleófilo, el producto de la reacción no es el silanol como cabría esperar al usar la química del carbono como una analogía, porque el silóxido es fuertemente nucleofílico y ataca a la molécula original para producir el silil éter hexametildisiloxano, (Me₃ Si) ₂ O. A la inversa, mientras que la reacción S _N 2 no se ve afectada en su mayor parte por la presencia de una carga positiva parcial (δ+) en el carbono, la reacción análoga "S _N 2" en el silicio sí se ve afectada. Así, por ejemplo, los triflatos de sililo son tan electrofílicos que reaccionan de 10 a 10 veces más rápido que los cloruros de sililo con nucleófilos que contienen oxígeno. El triflato de trimetilsililo es, en particular, un muy buen ácido de Lewis y se usa para convertir compuestos de carbonilo en acetales y éteres de sililenol, haciéndolos reaccionar juntos de manera análoga a la reacción aldólica.

Los enlaces Si-C se forman comúnmente de tres maneras. En el laboratorio, la preparación a menudo se lleva a cabo en pequeñas cantidades mediante la reacción de tetraclorosilano (tetracloruro de silicio) con reactivos de organolitio, Grignard u organoaluminio, o mediante la adición catalítica de Si–H a través de dobles enlaces C=C. La segunda vía tiene el inconveniente de no ser aplicable a los silanos más importantes, los metil y fenil silanos. Los organosilanos se fabrican industrialmente mediante la reacción directa de haluros de alquilo o arilo con silicio con un 10% en peso de cobre metálico como catalizador. Las reacciones orgánicas estándar son suficientes para producir muchos derivados; los organosilanos resultantes son a menudo significativamente más reactivos que sus congéneres de carbono, experimentando fácilmente hidrólisis, amonólisis, alcoholisis y condensación para formar oligómeros cíclicos o polímeros lineales.

Polímeros de silicona

Frederic Kipping utilizó por primera vez la palabra "silicona" en 1901. Inventó la palabra para ilustrar la similitud de las fórmulas químicas entre Ph ₂ SiO y la benzofenona, Ph ₂ CO, aunque también destacó la falta de similitud química debido a la estructura polimérica. de Ph ₂ SiO, que no es compartido por Ph ₂ CO.

Las siliconas pueden considerarse análogas a los silicatos minerales, en los que los grupos metilo de las siliconas corresponden al O isoelectrónico de los silicatos. Son bastante estables a temperaturas extremas, oxidación y agua, y tienen útiles propiedades dieléctricas, antiadherentes y antiespumantes. Además, son resistentes durante largos periodos de tiempo a la radiación ultravioleta ya la intemperie, y son fisiológicamente inertes. Son bastante poco reactivos, pero reaccionan con soluciones concentradas que contienen iones de hidróxido y agentes fluorantes y, ocasionalmente, incluso pueden usarse como reactivos suaves para síntesis selectivas. Por ejemplo, (Me ₃ Si) ₂El O es valioso para la preparación de derivados de molibdeno y oxihalogenuros de tungsteno, convirtiendo una suspensión de hexacloruro de tungsteno en solución de dicloroetano cuantitativamente en WOCl ₄ en menos de una hora a temperatura ambiente, y luego en WO ₂ Cl ₂ amarillo a 100 °C en petróleo ligero a un rendimiento del 95% durante la noche.

Ocurrencia

El silicio es el octavo elemento más abundante en el universo, después del hidrógeno, el helio, el carbono, el nitrógeno, el oxígeno, el hierro y el neón. Estas abundancias no se replican bien en la Tierra debido a la separación sustancial de los elementos que tienen lugar durante la formación del Sistema Solar. El silicio constituye el 27,2% de la corteza terrestre en peso, solo superado por el oxígeno con un 45,5%, con el que siempre está asociado en la naturaleza. Se produjo un mayor fraccionamiento en la formación de la Tierra por diferenciación planetaria: el núcleo de la Tierra, que constituye el 31,5% de la masa de la Tierra, tiene una composición aproximada Fe ₂₅ Ni ₂ Co _0,1 S ₃; el manto constituye el 68,1% de la masa de la Tierra y está compuesto principalmente por óxidos y silicatos más densos, un ejemplo es el olivino, (Mg,Fe) ₂ SiO ₄; mientras que los minerales silíceos más ligeros, como los aluminosilicatos, suben a la superficie y forman la corteza, que representa el 0,4% de la masa de la Tierra.

La cristalización de rocas ígneas a partir de magma depende de varios factores; entre ellos se encuentran la composición química del magma, la velocidad de enfriamiento y algunas propiedades de los minerales individuales que se van a formar, como la energía reticular, el punto de fusión y la complejidad de su estructura cristalina. A medida que el magma se enfría, aparece primero el olivino, seguido del piroxeno, el anfíbol, la mica biotita, el feldespato ortoclasa, la mica moscovita, el cuarzo, las zeolitas y, por último, los minerales hidrotermales. Esta secuencia muestra una tendencia hacia unidades de silicato cada vez más complejas con enfriamiento y la introducción de aniones hidróxido y fluoruro además de óxidos. Muchos metales pueden sustituir al silicio. Después de que estas rocas ígneas sufren meteorización, transporte y deposición, se forman rocas sedimentarias como arcilla, esquisto y arenisca.

Hay cuatro fuentes de flujos de silicio en el océano que incluyen la meteorización química de rocas continentales, el transporte fluvial, la disolución de silicatos terrígenos continentales y la reacción entre basaltos submarinos y fluidos hidrotermales que liberan silicio disuelto. Estos cuatro flujos están interconectados en el ciclo biogeoquímico del océano, ya que todos se formaron inicialmente a partir de la erosión de la corteza terrestre.

Aproximadamente 300-900 megatoneladas de polvo eólico se depositan en los océanos del mundo cada año. De ese valor, 80-240 megatoneladas están en forma de partículas de silicio. La cantidad total de deposición de partículas de silicio en el océano sigue siendo menor que la cantidad de entrada de silicio en el océano a través del transporte fluvial. Las entradas eólicas de partículas de silicio litogénico en los océanos del Atlántico Norte y del Pacífico Norte Occidental son el resultado de la sedimentación de polvo en los océanos desde el Sahara y el desierto de Gobi, respectivamente. Los transportes fluviales son la principal fuente de entrada de silicio en el océano en las regiones costeras, mientras que la deposición de silicio en el océano abierto está muy influenciada por la sedimentación del polvo eólico.

Producción

El silicio con una pureza del 96 al 99 % se obtiene mediante la reducción de cuarcita o arena con coque de alta pureza. La reducción se realiza en un horno de arco eléctrico, utilizándose un exceso de SiO ₂ para evitar que se acumule carburo de silicio (SiC):SiO ₂ + 2 C → Si + 2 CO2 SiC + SiO ₂ → 3 Si + 2 CO

Esta reacción, conocida como reducción carbotérmica del dióxido de silicio, normalmente se lleva a cabo en presencia de chatarra con bajas cantidades de fósforo y azufre, produciendo ferrosilicio. El ferrosilicio, una aleación de hierro y silicio que contiene proporciones variables de silicio elemental y hierro, representa aproximadamente el 80% de la producción mundial de silicio elemental, y China, el principal proveedor de silicio elemental, proporciona 4,6 millones de toneladas (o 2/3 de producción mundial) de silicio, la mayor parte en forma de ferrosilicio. Le siguen Rusia (610.000 t), Noruega (330.000 t), Brasil (240.000 t) y Estados Unidos (170.000 t). El ferrosilicio se usa principalmente en la industria del hierro y el acero (ver más abajo) con un uso principal como adición de aleación en el hierro o el acero y para la desoxidación del acero en plantas siderúrgicas integradas.

Otra reacción, a veces utilizada, es la reducción aluminotérmica del dióxido de silicio, como sigue:3 SiO ₂ + 4 Al → 3 Si + 2 Al ₂ O ₃

La lixiviación de silicio en polvo con una pureza del 96–97 % con agua da como resultado un silicio puro de ~98,5 %, que se utiliza en la industria química. Sin embargo, se necesita una pureza aún mayor para las aplicaciones de semiconductores, y esto se produce a partir de la reducción de tetraclorosilano (tetracloruro de silicio) o triclorosilano. El primero se fabrica mediante la cloración de chatarra de silicio y el segundo es un subproducto de la producción de silicona. Estos compuestos son volátiles y, por lo tanto, pueden purificarse mediante destilación fraccionada repetida, seguida de reducción a silicio elemental con zinc metálico muy puro como agente reductor. Las piezas esponjosas de silicio así producidas se funden y luego crecen para formar monocristales cilíndricos, antes de ser purificadas por refinación por zonas. Otras rutas utilizan la descomposición térmica de silano o tetrayodosilano (SiI₄). Otro proceso utilizado es la reducción de hexafluorosilicato de sodio, un producto de desecho común de la industria de fertilizantes de fosfato, por sodio metálico: esto es altamente exotérmico y, por lo tanto, no requiere una fuente de energía externa.

Las nanoestructuras de silicio se pueden producir directamente a partir de sílice utilizando procesos metalotérmicos convencionales o métodos de síntesis por combustión. Dichos materiales de silicio nanoestructurados se pueden utilizar en diversas aplicaciones funcionales, incluido el ánodo de las baterías de iones de litio o aplicaciones forocatalíticas.

El silicio hiperfino se fabrica con una pureza mayor que casi cualquier otro material: la producción de transistores requiere niveles de impurezas en los cristales de silicio de menos de 1 parte por 10 y, en casos especiales, se necesitan y se alcanzan niveles de impurezas por debajo de 1 parte por 10. Las nanoestructuras de silicio se pueden producir directamente a partir de arena de sílice utilizando el enfoque de síntesis de combustión. Dichos materiales de silicio nanoestructurados se pueden utilizar como ánodo de baterías de iones de litio (LIB).

Aplicaciones

Compuestos

La mayor parte del silicio se utiliza industrialmente sin ser purificado y, de hecho, a menudo con relativamente poco procesamiento de su forma natural. Más del 90% de la corteza terrestre está compuesta de minerales de silicato, que son compuestos de silicio y oxígeno, a menudo con iones metálicos cuando los aniones de silicato con carga negativa requieren cationes para equilibrar la carga. Muchos de estos tienen usos comerciales directos, como arcillas, arena de sílice y la mayoría de los tipos de piedra de construcción. Por lo tanto, la gran mayoría de los usos del silicio son como compuestos estructurales, ya sea como minerales de silicato o sílice (dióxido de silicio crudo). Los silicatos se usan en la fabricación de cemento Portland (hecho principalmente de silicatos de calcio) que se usa en la construcción de morteros y estucos modernos, pero lo que es más importante, se combina con arena de sílice y grava (que generalmente contiene minerales de silicato como el granito).

La sílice se utiliza para fabricar ladrillos refractarios, un tipo de cerámica. Los minerales de silicato también se encuentran en la cerámica blanca, una clase importante de productos que generalmente contienen varios tipos de minerales de arcilla cocida (filosilicatos de aluminio natural). Un ejemplo es la porcelana, que se basa en el mineral de silicato caolinita. El vidrio tradicional (vidrio de cal sodada a base de sílice) también funciona de la misma manera, y también se usa para ventanas y contenedores. Además, las fibras de vidrio especiales a base de sílice se utilizan para fibra óptica, así como para producir fibra de vidrio para soporte estructural y lana de vidrio para aislamiento térmico.

Las siliconas a menudo se utilizan en tratamientos de impermeabilización, compuestos de moldeo, agentes de desmoldeo, sellos mecánicos, grasas y ceras para altas temperaturas y compuestos de calafateo. La silicona también se usa a veces en implantes mamarios, lentes de contacto, explosivos y pirotecnia. Silly Putty se hizo originalmente agregando ácido bórico al aceite de silicona. Otros compuestos de silicio funcionan como abrasivos de alta tecnología y nuevas cerámicas de alta resistencia a base de carburo de silicio. El silicio es un componente de algunas superaleaciones.

Aleaciones

El silicio elemental se agrega al hierro fundido fundido como ferrosilicio o aleaciones silicocálcicas para mejorar el rendimiento en la fundición de secciones delgadas y para evitar la formación de cementita cuando se expone al aire exterior. La presencia de silicio elemental en el hierro fundido actúa como sumidero de oxígeno, de modo que el contenido de carbono del acero, que debe mantenerse dentro de límites estrechos para cada tipo de acero, puede controlarse más de cerca. La producción y el uso de ferrosilicio es un monitor de la industria del acero, y aunque esta forma de silicio elemental es sumamente impura, representa el 80 % del uso mundial de silicio libre. El silicio es un componente importante del acero eléctrico, modificando su resistividad y propiedades ferromagnéticas.

Las propiedades del silicio pueden utilizarse para modificar aleaciones con metales distintos del hierro. El silicio de "grado metalúrgico" es silicio con una pureza del 95 al 99%. Alrededor del 55% del consumo mundial de silicio de pureza metalúrgica se destina a la producción de aleaciones de aluminio y silicio (aleaciones de silumin) para piezas fundidas de aluminio, principalmente para uso en la industria automotriz. La importancia del silicio en la fundición de aluminio radica en que una cantidad significativamente alta (12 %) de silicio en el aluminio forma una mezcla eutéctica que se solidifica con muy poca contracción térmica. Esto reduce en gran medida el desgarro y las grietas formadas por el estrés a medida que las aleaciones de fundición se enfrían hasta solidificarse. El silicio también mejora significativamente la dureza y, por lo tanto, la resistencia al desgaste del aluminio.

Electrónica

La mayor parte del silicio elemental producido permanece como una aleación de ferrosilicio, y solo aproximadamente el 20 % se refina a una pureza de grado metalúrgico (un total de 1,3 a 1,5 millones de toneladas métricas/año). Se estima que el 15 % de la producción mundial de silicio de grado metalúrgico se refina aún más hasta alcanzar la pureza de los semiconductores. Este es típicamente el "nueve-9" o 99.9999999% de pureza, material monocristalino casi libre de defectos.

El silicio monocristalino de tal pureza generalmente se produce mediante el proceso Czochralski y se usa para producir obleas de silicio utilizadas en la industria de semiconductores, en electrónica y en algunas aplicaciones fotovoltaicas de alto costo y alta eficiencia.El silicio puro es un semiconductor intrínseco, lo que significa que, a diferencia de los metales, conduce huecos de electrones y electrones liberados de los átomos por el calor; La conductividad eléctrica del silicio aumenta con temperaturas más altas. El silicio puro tiene una conductividad demasiado baja (es decir, una resistividad demasiado alta) para ser utilizado como elemento de circuito en electrónica. En la práctica, el silicio puro se dopa con pequeñas concentraciones de ciertos otros elementos, que aumentan en gran medida su conductividad y ajustan su respuesta eléctrica al controlar el número y la carga (positiva o negativa) de los portadores activados. Dicho control es necesario para transistores, celdas solares, detectores de semiconductores y otros dispositivos semiconductores utilizados en la industria informática y otras aplicaciones técnicas.En la fotónica de silicio, el silicio se puede utilizar como un medio láser Raman de onda continua para producir luz coherente.

En los circuitos integrados comunes, una oblea de silicio monocristalino sirve como soporte mecánico para los circuitos, que se crean por dopaje y están aislados entre sí por finas capas de óxido de silicio, un aislante que se produce fácilmente en las superficies de Si mediante procesos de oxidación térmica. o la oxidación local (LOCOS), que consisten en exponer el elemento al oxígeno en las condiciones adecuadas que pueden predecirse mediante el modelo Deal-Grove. El silicio se ha convertido en el material más popular tanto para los semiconductores de alta potencia como para los circuitos integrados porque puede soportar las temperaturas más altas y la mayor actividad eléctrica sin sufrir una ruptura por avalancha (una avalancha de electrones se crea cuando el calor produce electrones libres y huecos, que a su vez pasan más corriente)., que produce más calor). Además,

El silicio monocristalino es caro de producir y, por lo general, solo se justifica en la producción de circuitos integrados, donde las pequeñas imperfecciones del cristal pueden interferir con las rutas de los circuitos. Para otros usos, se pueden emplear otros tipos de silicio puro. Estos incluyen silicio amorfo hidrogenado y silicio de grado metalúrgico mejorado (UMG-Si) que se utilizan en la producción de productos electrónicos de gran superficie y bajo costo en aplicaciones tales como pantallas de cristal líquido y energía solar de película delgada de gran superficie y bajo costo. células. Estos grados semiconductores de silicio son ligeramente menos puros o policristalinos en lugar de monocristalinos, y se producen en cantidades comparables a las del silicio monocristalino: de 75 000 a 150 000 toneladas métricas por año. El mercado del silicio de grado inferior está creciendo más rápidamente que el del silicio monocristalino. Para 2013,

Puntos cuánticos

Los puntos cuánticos de silicio se crean a través del procesamiento térmico de hidrógeno silsesquioxano en nanocristales que van desde unos pocos nanómetros a unas pocas micras, que muestran propiedades luminiscentes que dependen del tamaño. Los nanocristales muestran grandes desplazamientos de Stokes que convierten fotones en el rango ultravioleta en fotones en el visible o infrarrojo, según el tamaño de las partículas, lo que permite aplicaciones en pantallas de puntos cuánticos y concentradores solares luminiscentes debido a su autoabsorción limitada. Una ventaja de usar puntos cuánticos basados ​​en silicio sobre cadmio o indio es la naturaleza no tóxica y libre de metales del silicio. Otra aplicación de los puntos cuánticos de silicio es la detección de materiales peligrosos. Los sensores aprovechan las propiedades luminiscentes de los puntos cuánticos apagando la fotoluminiscencia en presencia de la sustancia peligrosa. Se utilizan muchos métodos para la detección de productos químicos peligrosos, algunos de los cuales son la transferencia de electrones, la transferencia de energía por resonancia de fluorescencia y la generación de fotocorriente.La extinción de la transferencia de electrones ocurre cuando el orbital molecular desocupado más bajo (LUMO) tiene una energía ligeramente menor que la banda de conducción del punto cuántico, lo que permite la transferencia de electrones entre los dos, evitando la recombinación de los agujeros y electrones dentro de los nanocristales. El efecto también se puede lograr a la inversa con una molécula donante que tiene su orbital molecular ocupado más alto (HOMO) ligeramente más alto que el borde de la banda de valencia del punto cuántico, lo que permite que los electrones se transfieran entre ellos, llenando los agujeros y evitando la recombinación. La transferencia de energía de resonancia de fluorescencia ocurre cuando se forma un complejo entre el punto cuántico y una molécula extintora. El complejo continuará absorbiendo luz, pero cuando la energía se convierte al estado fundamental, no libera ningún fotón, apagando el material. El tercer método utiliza un enfoque diferente al medir la fotocorriente emitida por los puntos cuánticos en lugar de monitorear la pantalla fotoluminiscente. Si la concentración de la sustancia química deseada aumenta, la fotocorriente emitida por los nanocristales cambiará en respuesta.

Rol biológico

Aunque el silicio está fácilmente disponible en forma de silicatos, muy pocos organismos lo utilizan directamente. Las diatomeas, la radiolaria y las esponjas silíceas utilizan sílice biogénico como material estructural para sus esqueletos. En plantas más avanzadas, los fitolitos de sílice (fitolitos de ópalo) son cuerpos microscópicos rígidos que se encuentran en la célula; algunas plantas, por ejemplo el arroz, necesitan silicio para su crecimiento. Se ha demostrado que el silicio mejora la resistencia de la pared celular de las plantas y la integridad estructural en algunas plantas.

Se sabe que varios cultivos hortícolas se protegen contra los hongos patógenos de las plantas con silicio, hasta tal punto que la aplicación de fungicidas puede fallar a menos que se acompañe de una nutrición suficiente con silicio. Las moléculas de defensa de las plantas silíceas activan algunas fitoalexinas, lo que significa que algunas de ellas son sustancias de señalización que producen la inmunidad adquirida. Cuando se las priva, algunas plantas las sustituirán con una mayor producción de otras sustancias defensivas.

La vida en la Tierra está compuesta en gran parte por carbono, pero la astrobiología considera que la vida extraterrestre puede tener otros tipos hipotéticos de bioquímica. El silicio se considera una alternativa al carbono, ya que puede crear moléculas complejas y estables con cuatro enlaces covalentes, necesarios para un análogo de ADN, y está disponible en grandes cantidades.

Influencias microbianas marinas

Las diatomeas utilizan silicio en forma de sílice biogénica (BSIO ₂), que es absorbido por la proteína de transporte de silicio (SIT) para ser utilizado predominantemente en la estructura de la pared celular como frustulas. El silicio ingresa al océano en forma disuelta, como ácido silícico o silicato. Dado que las diatomeas son uno de los principales usuarios de estas formas de silicio, contribuyen en gran medida a la concentración de silicio en todo el océano. El silicio forma un perfil similar a un nutriente en el océano debido a la productividad de diatomeas en profundidades poco profundas. Por lo tanto, menos concentración de silicio en la parte superior del océano y más concentraciones de silicio en el océano profundo/inferior.

La productividad de diatomeas en la parte superior del océano contribuye a la cantidad de silicio exportado a la parte inferior del océano. Cuando las células de diatomeas se lisan en la parte superior del océano, sus nutrientes, como hierro, zinc y silicio, se llevan a la parte inferior del océano a través de un proceso llamado nieve marina. La nieve marina implica la transferencia hacia abajo de materia orgánica particulada mediante la mezcla vertical de materia orgánica disuelta. Se ha sugerido que el silicio se considera crucial para la productividad de las diatomeas y, mientras haya ácido silícico disponible para que las diatomeas lo utilicen, las diatomeas también pueden contribuir a otras concentraciones importantes de nutrientes en las profundidades del océano.

En las zonas costeras, las diatomeas son los principales organismos fitoplanctónicos y contribuyen en gran medida a la producción de sílice biogénica. En el océano abierto, sin embargo, las diatomeas tienen un papel reducido en la producción mundial anual de sílice. Las diatomeas en los giros subtropicales del Atlántico norte y el Pacífico norte solo contribuyen entre el 5 y el 7 % de la producción mundial anual de sílice marina. El Océano Austral produce alrededor de un tercio de la sílice biogénica marina mundial. Se dice que el Océano Austral tiene una "división biogeoquímica" ya que solo se transportan cantidades minúsculas de silicio fuera de esta región.

Nutrición humana

Hay alguna evidencia de que el silicio es importante para la salud humana para sus uñas, cabello, huesos y tejidos de la piel, por ejemplo, en estudios que demuestran que las mujeres premenopáusicas con una mayor ingesta de silicio en la dieta tienen una mayor densidad ósea y que la suplementación con silicio puede aumentar la densidad ósea. volumen y densidad en pacientes con osteoporosis. El silicio es necesario para la síntesis de elastina y colágeno, de los cuales la aorta contiene la mayor cantidad en el cuerpo humano, y ha sido considerado un elemento esencial; sin embargo, es difícil probar su esencialidad, porque el silicio es muy común y, por lo tanto, los síntomas de deficiencia son difíciles de reproducir.

Actualmente, el silicio está bajo consideración para ser elevado al estado de "sustancia beneficiosa para las plantas por parte de la Asociación Estadounidense de Funcionarios de Control de Alimentos para Plantas (AAPFCO)".

La seguridad

Las personas pueden estar expuestas al silicio elemental en el lugar de trabajo al inhalarlo, tragarlo o tener contacto con la piel o los ojos. En los dos últimos casos, el silicio presenta un ligero peligro como irritante. Es peligroso si se inhala. La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) ha establecido el límite legal para la exposición al silicio en el lugar de trabajo en 15 mg/m3 de exposición total y 5 mg/m2 de exposición respiratoria durante una jornada laboral de ocho horas. El Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) ha establecido un límite de exposición recomendado (REL) de 10 mg/m3 de exposición total y 5 mg/m2 de exposición respiratoria durante una jornada laboral de ocho horas.La inhalación de polvo de sílice cristalina puede provocar silicosis, una enfermedad pulmonar ocupacional caracterizada por inflamación y cicatrización en forma de lesiones nodulares en los lóbulos superiores de los pulmones.