SILICIO

Simbolo = Si

Peso atomico = 28,086

Numero atomico = 14

Generalità

Costituisce ca. il 25% in peso della crosta terrestre, nella quale rappresenta l'elemento più

abbondante dopo l'ossigeno; non si rinviene allo stato libero ma sempre combinato con

l'ossigeno nelle varie forme del biossido, quali in particolare il quarzo e il calcedonio, o con

l'ossigeno e altri elementi nei numerosi silicati naturali. Nelle stesse forme il s. è

abbondantemente presente anche nei corpi celesti. Si può ottenere sotto forma di elemento

libero, sempre più o meno impuro, riducendo il suo biossido con una quantità calcolata di

carbone al forno elettrico: se il carbone è invece in quantità maggiore si ottiene il carburo di s.,

SiC, il carborundum. Un altro metodo si basa sulla riduzione del biossido di s. con magnesio

Metallico. La reazione, una volta innescata riscaldando la miscela in un punto, decorre con forte sviluppo di calore; l'ossido di magnesio che si forma e il magnesio ancora presente vengono poi asportati lavando la massa con acido cloridrico e poi con poco acido fluoridrico diluito. Mentre fino a epoca assai recente il s. elementare puro presentava interesse soltanto scientifico, attualmente esiste

una notevole richiesta di s. purissimo da parte dell'industria elettrotecnica, che lo utilizza per le

sue proprietà di semiconduttore. Lo si ottiene dal tetracloruro di s., accuratamente purificato per

distillazione, riducendolo con idrogeno a una temperatura di oltre 1000 ºC, secondo la reazione:

SiCl4+2H2 à Si+4HCl. Tutte le operazioni devono venire condotte in apparecchiature di

materiali idonei e che non cedano al s. impurezze nocive per gli scopi per i quali è destinato. Il s.

così ottenuto viene poi ulteriormente purificato con il metodo della fusione a zona. Grande

importanza nell'industria siderurgica hanno le leghe ferro-s., con un titolo in s. che va, secondo i

tipi, dal 15 al 90%; esse vengono usate, oltre che nella produzione degli acciai al s., come

disossidante: si preparano riducendo direttamente al forno elettrico una miscela opportunamente

dosata di rottame o di ossidi di ferro e di quarzo. Le leghe alluminio-s., generalmente con un

contenuto in s. intorno al 12%, vengono invece utilizzate come lega madre per la produzione di

varie leghe dell'alluminio.

Il s. è polimorfo: la varietà cristallina con un reticolo simile a quello

del diamante si può facilmente ottenere in cristalli anche di notevoli dimensioni, durissimi,

lucenti e assai fragili; fonde a 1410 ºC. La riduzione del biossido di s. porta invece al s.

cosiddetto amorfo, pulverulento e di colore bruno più o meno carico. Nell'una e nell'altra forma il

s. non viene attaccato dagli acidi, eccetto l'acido fluoridrico che lo trasforma nel tetrafluoruro

SiF4; anche gli idrossidi alcalini attaccano il s., sviluppando idrogeno e trasformandolo in

silicato. A temperatura elevata il s. si combina con molti metalli formando i corrispondenti

siliciuri, in genere di composizione non stechiometrica, come p. es. i due siliciuri di rame di

formula Cu3Si e Cu5Si; la formazione di questi composti influenza fortemente le proprietà di

molte leghe metalliche.

Chimica: composti del silicio

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

Elettronica

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