Rebajas de verano : ¡ -30% de descuento en todo el sitio ! |
El silicio, de símbolo Si, es un cuerpo elemental de número atómico 14. Utilizado desde la Antigüedad en forma de sílice, no fue aislado hasta 1823 por Jöns Jacob Berzelius. El término silicio proviene del latín silex, literalmente, piedras. Debemos el nombre de silicio a Humphry Davy, quien lo atribuyó en 1808 inspirándose en la palabra silica que designa la sílice.
Segundo material de la corteza terrestre, el silicio está presente en numerosas rocas y minerales. Con una masa atómica de 28,085 u, posee 3 isótopos estables (A = 28, 29, 30) y dos isótopos radiactivos (A = 31, 32). Las materias primas con silicio son ampliamente accesibles. Su transformación sigue varios procesos industriales, cuyos principales se discutirán más adelante.
Desde finales del siglo XX, el silicio se convierte en un recurso esencial en la era digital. Así comienza la edad del silicio. Varios lugares célebres y centros neurálgicos del mundo de la tecnología y los negocios asocian incluso su denominación al término, siendo el más famoso Silicon Valley. El silicio presenta varias propiedades ventajosas propicias para aplicaciones variadas. Es un componente que resulta esencial especialmente en la producción de energía renovable, la industria mecánica y la electrónica. Las perspectivas de producción global de este elemento químico parecen favorables para los próximos años.
El descubrimiento del silicio fue posible después de casi 40 años de experimentos fallidos. Fue el científico francés Antoine Lavoisier quien, en 1787, pensaba que la sílice debía ser el producto de otro elemento por oxidación. Pero fracasó en aislar el elemento debido a la alta reactividad del silicio con el oxígeno. Sir Humphry Davy intentó luego aislar el silicio en 1808, pero sin gran éxito. Sin embargo, le dio esta denominación, ya que entonces suponía que se trataba de un metal. Esta suposición fue contradicha por el químico escocés Thomas Thomson en 1817. Este último consideró que el silicio era como el boro, un no metal.
Finalmente fue en 1823 cuando Jöns Jacob Berzelius preparó silicio amorfo con un método similar al utilizado por Gay-Lussac y Thénard en 1811. Este último consistía en calentar potasio metálico aislado con tetrafluoruro de silicio. El producto de la reacción habría sido silicio amorfo. Sin embargo, los dos químicos no habían realizado una purificación y, por lo tanto, no habían aislado un nuevo elemento. Cosa que hizo Berzelius, quien es oficialmente reconocido como el identificador del silicio.
Otras fechas importantes relativas al material silicio:
El silicio pertenece al grupo 14 y al 3er período de la tabla periódica. Se trata de un metaloide tetravalente con una dureza de 6,50 Mohs. En estado ordinario, se presenta en forma de sólido diamagnético de color gris. Las propiedades físicas y químicas de este cuerpo simple presentan un interés para la investigación de procesos eléctricos como material de electrodo.
A temperatura ambiente, el silicio es un semiconductor sólido, cristalino y frágil, con un brillo azul-gris. Su punto de fusión es de 1414 °C (1 687 K, 2 577 °F) y su punto de ebullición es de 3 265 °C (3 538 K, 5 909 °F). La densidad del silicio sólido a temperatura ambiente es de 2,329 g cm-3; en estado líquido (en el punto de fusión), su densidad es de 2,57 g cm-3.
La conductividad eléctrica del silicio depende de la temperatura y las impurezas. Generalmente se cita una conductividad intrínseca de 4,3 × 10-6 Ω-1 cm-1 y una resistividad de 2,3 × 10-5 Ωcm a 300 K. La conductividad del silicio aumenta con la temperatura, y esta propiedad está en el centro de la electroquímica del silicio en las sales fundidas. Mientras que el silicio puro no es activo a temperatura ambiente, se transforma en un electrodo activo a temperaturas más elevadas, como las de las sales fundidas a alta temperatura.
Vistos estos datos, estas son las especificidades del silicio:
Con un potencial E∘ = -0,91V a una temperatura de 25 °C, el silicio puro es un elemento fácilmente oxidable y soluble, pero solo en soluciones acuosas alcalinas. La oxidación conduce a la formación de una fina capa de óxido que impide la oxidación y hace que el material sea inerte en el caso de soluciones ácidas y neutras. La oxidación del silicio en medio alcalino produce siliciuro, con un potencial estándar negativo de E∘ = -1,697 V. Esta propiedad hace del silicio un elemento importante en el grabado químico industrial, especialmente el grabado químico asistido por metal.
La superficie del silicio puro contiene enlaces insaturados, llamados enlaces colgantes, o estados de superficie. Son niveles de energía provenientes de los orbitales en el plano de superficie del Si donde los átomos no pueden estar rodeados por la simetría tetraédrica, como es el caso en la estructura del silicio en masa. Los estados de superficie se caracterizan por energías específicas (por ejemplo, en la banda prohibida). Influyen considerablemente en las propiedades electrónicas de la unión de superficie. Estos átomos de superficie reaccionan activamente con las especies químicas, por ejemplo, con el oxígeno del entorno. En el agua, la superficie del silicio generalmente está recubierta por una fina película de óxido. El espesor de esta película puede alcanzar varios nanómetros, dependiendo de las condiciones. La pasivación química de la superficie cuando los átomos de Si están unidos a otros átomos se llama terminación.
En las soluciones de ácido clorhídrico, se forma una superficie terminada en hidrógeno (Si-H) y eventualmente en oxígeno y flúor. Las superficies terminadas en hidrógeno son hidrófobas y luminiscentes. La superficie del silicio puede ser hidrófoba o hidrófila. La hidrofilia proviene de la terminación Si-OH, mientras que la hidrofobia es causada por la terminación Si-H, Si-CHx o Si-F. La afinidad con el agua cambia con el tiempo.
Como se dijo en el preámbulo, el silicio se fabrica según diferentes procesos industriales con materias primas ampliamente abundantes. ¿Qué hay de estas materias primas y estos procesos? ¿Qué hay de las estadísticas de producción de este material en el mundo? Este capítulo tratará estos puntos.
El silicio representa el 28% de la corteza terrestre. Está presente en numerosas rocas y diferentes minerales, especialmente en forma de óxido (12% de la masa de la corteza terrestre). También se presenta en forma de silicatos o aluminosilicatos (tetraedros-Si3Al-O4) como los feldespatos, los piroxenos y anfíboles (silicatos de magnesio o de calcio). El silicio también está presente en otros minerales como las olivinas. Pero la forma natural principal del silicio es una sílice, a saber, el cuarzo (encontrado en minerales como la arena, el jaspe y las rocas de origen animal o vegetal).
El silicio se extrae industrialmente por reducción carbotérmica. Se trata de un método convencional de desoxidación del dióxido de silicio (como el cuarzo, SiO2) por el carbón en hornos eléctricos de arco. Este proceso permite obtener un silicio de calidad metalúrgica, que contiene un porcentaje bastante alto de impurezas (Si – 98-99%, el resto – Fe, Al, B, P, Ca, Mg, Mn, Ti, C, etc.)
El refinado es indispensable para obtener silicio de calidad solar y silicio de calidad electrónica. Los principales procesos viables a escala industrial y comercial son la cloración directa del silicio, el proceso de Siemens, el proceso de Union Carbide y el proceso de Ethyl Corporation.
El silicio ultra puro se obtiene industrialmente mediante la producción de silanos volátiles (HSiCl3, SiCl4), su destilación y su descomposición a alta temperatura sobre barras de silicio. Este proceso se basa en la cloración directa del silicio de grado metalúrgico por el ácido clorhídrico.
La tecnología Siemens fue desarrollada a finales de los años 50; ha conquistado un lugar dominante en el mercado de la producción de polisilicio (silicio policristalino). Se basa en el uso de silicio de grado metalúrgico como materia prima y su conversión en triclorosilano volátil, su rectificación y su descomposición sobre sustratos de silicio utilizados en forma de varillas. El proceso de descomposición es conocido como deposición química en fase vapor (CVD). El punto de ebullición bajo y la alta volatilidad del triclorosilano (Tb = 31,8 °C) permiten separar el precursor de silicio de las impurezas por destilación en columnas de fraccionamiento. En particular, el boro y el fósforo pueden ser eliminados de la materia prima de silicio utilizando la rectificación múltiple. El triclorosilano de alta pureza se vaporiza y se diluye con hidrógeno (H2). La mezcla pasa a un reactor de deposición donde el triclorosilano se descompone en Si sobre barras de Si puro calentadas a aproximadamente 1 100 °C.
La especificidad del proceso Union Carbide reside en la aplicación del monosilano (SiH4) como precursor para la formación de silicio por deposición física en fase vapor. El proceso lleva el nombre de la compañía química Union Carbide Corporation, filial de Dow Chemical Company en Estados Unidos. Para producir el precursor, se utiliza como material de partida silicio de calidad metalúrgica, que se hidroclorura con tetracloruro de silicio en una atmósfera de hidrógeno. Esta reacción produce triclorosilano. Se trata de una reacción endotérmica cuya entalpía a 25 °C es de 37 kJ/mol-1.
Contrariamente a las tecnologías de Siemens y Union Carbide, la idea principal del proceso de Ethyl es el uso del fluoruro de silicio (SiF4) como materia prima en lugar del silicio de calidad metalúrgica. Este método fue nombrado por la Ethyl Corporation, una filial de NewMarket Corporation (Estados Unidos).
La química de la descomposición del silicio en el proceso Ethyl es análoga a la del proceso Union Carbide: se basa en la descomposición térmica del monosilano sobre el silicio, que comienza ya a 370 °C. La particularidad del proceso Ethyl es la aplicación de partículas de silicio en un reactor de lecho fluidizado. El producto se obtiene en forma de gránulos y es posible ajustar el tamaño y la forma de las partículas del producto.
El ferrosilicio representaba más del 60% de la producción mundial de silicio basado en el contenido de silicio en 2022. Los principales países productores de ferrosilicio son, en orden decreciente de contenido de silicio, China (6 millones de toneladas), Rusia (640 000 t), Brasil (400 000 t) y Noruega (360 000 t). Francia llega con Kazajistán al sexto lugar después de Estados Unidos con 120 000 t de silicio producido.
Para el silicio metal, los principales productores el mismo año fueron, en orden decreciente de contenido de silicio, China, Brasil y Noruega. China representaba cerca del 70% de la producción mundial estimada de materiales de silicio en 2022. La producción mundial de materiales de silicio, basada en el contenido de silicio, se estimó en aproximadamente un 4% menos que en 2021.
Se espera que el mercado mundial del silicio aumente a una tasa de crecimiento compuesto de aproximadamente 3,5 a 3,75% durante la temporada 2022-23. La producción mundial está dominada por los países de Asia-Pacífico con China a la cabeza, principal productor de silicio metal. Se espera que los principales consumidores de silicio metal sean los productores de aleaciones de aluminio y los fabricantes de silicona durante 2023. El aumento de los precios de los metales, debido a la fuerte demanda aguas abajo, también debería estimular el crecimiento del mercado del silicio metal a largo plazo. También hay grandes expectativas sobre la mejora del suministro de piezas en electrónica y mecánica, que figuran entre los usos del silicio como se indica en el capítulo que sigue. Esta tendencia podría estimular la demanda de silicio por parte de los proveedores de aleaciones de aluminio. La cuestión ambiental también podría influir en la demanda de silicio, un material no tóxico, abundante y propicio en la producción de alternativas sostenibles en muchos campos.
Los sectores de uso del silicio elemental y también de sus compuestos son numerosos. La electrónica, por ejemplo, exige una calidad de silicio de una pureza casi total para fabricar los chips de semiconductor, los transistores y las pilas de combustible. El silicio 32 se utiliza en la datación radiométrica. Aquí están las principales aplicaciones de este material.
Las siliconas son polímeros obtenidos por deshidratación intermolecular del dihidroxidimetilsilano, esta molécula derivando a su vez del diclorodimetilsilano. Tienen una notable inercia química, el enlace Si-O confiriéndoles una excelente resistencia a la oxidación y a la hidrólisis. También son resistentes a las radiaciones, a los agentes atmosféricos, a los mohos y a las bacterias. Son sorprendentemente estables térmicamente y utilizables desde -50 °C hasta +250 °C sin modificación de sus propiedades. Las siliconas son también excelentes aislantes eléctricos, insensibles al calor y a la humedad. Finalmente, las siliconas no son tóxicas.
Vistas estas numerosas especificidades, las siliconas encuentran aplicaciones en numerosos campos: medicina y cirugía (prótesis mamarias, tubos de transfusión, membranas flexibles, tetinas de biberones), cosmetología, sector dental, sector alimentario (moldes para pastelería), sector de tintas, pinturas…
Se utilizan como fluidos hidráulicos y como lubricantes (aceites o grasas). Sirven de base a los agentes antiespumantes. También se utilizan para impermeabilizar los textiles y como sustancia que los hace resistentes a las manchas.
Con los desafíos actuales del calentamiento global causados por la explotación intensiva de fuentes no renovables, el uso de energías alternativas sigue siendo la única solución. La luz del sol, en particular, constituye un recurso ilimitado y gratuito para la producción de energía sostenible y su almacenamiento en forma química. Los materiales utilizados en los dispositivos solares constituyen una parte importante del costo del proceso de utilización de esta energía. Las características del silicio, especialmente su propiedad de semiconductor, lo convierten en un excelente candidato en la fabricación de paneles fotovoltaicos. El silicio es un material fotosensible, químicamente inerte, poco costoso y robusto, muy interesante para las aplicaciones fotoelectroquímicas. Hoy, la gran mayoría (más del 90%) de las células solares se producen a partir de silicio.
La electroquímica trata de la relación entre la electricidad y los cambios químicos. El ejemplo típico de un dispositivo electroquímico utilizado en la vida cotidiana es la batería. Es un dispositivo que genera electricidad mediante reacciones químicas. La tecnología basada en el litio-ion (Li-ion) domina el mercado actual de baterías. La disponibilidad limitada del litio hace que sea poco probable que la fabricación de baterías Li-ion pueda alcanzar volúmenes de producción mucho mayores.
Las baterías electroquímicas son dispositivos clave para una economía con bajas emisiones de carbono para reducir las emisiones de CO2. Para alcanzar los objetivos de sostenibilidad, las baterías deben presentar varias características. Alto rendimiento en energía y potencia, vida útil excepcional, fiabilidad, seguridad y reciclabilidad. Se espera que el crecimiento de la demanda mundial de baterías se multiplique por 14 entre 2018 y 2030. La mayor parte de esta demanda concierne al sector de la movilidad eléctrica.
La creación de sistemas de almacenamiento de energía electroquímica post-Li eficientes representa un desafío importante. El silicio es un material interesante para la producción de ánodos en las baterías de litio-ion. El sistema binario Li-Si presenta una capacidad de inserción de Li excepcionalmente alta: un átomo de Si puede acoger 4,4 átomos de Li para formar la aleación Li22Si5, y la capacidad de inserción teórica es de 4 200 mAh g-1 (el valor análogo para Li15Si4 es de 3 576 mAh g-1). Esta capacidad es claramente superior a la del electrodo de grafito clásicamente utilizado (372 mAh g-1).
Sin embargo, la desintegración del electrodo de silicio se produce debido a un cambio de volumen del 300 al 400% durante el proceso de litiación-delitiación. Este proceso perjudicial conduce a la disminución de la capacidad de la batería. Por lo tanto, el desarrollo de métodos de restauración de las propiedades eléctricas (auto-reparación) es de gran importancia. Se han realizado esfuerzos considerables para encontrar formas eficaces de amortiguar los cambios de volumen (las películas de grafeno, los nanocompuestos silicio-carbono, las películas de Si).
Las características mecánicas del silicio puro lo convierten en un material ideal para la fabricación de piezas de micromecanismos. El silicio entra, por ejemplo, en la manufactura de las piezas de los relojes mecánicos.
Otro y principal uso del silicio elemental en el sector mecánico es en forma de sialuminio. Es una aleación a base de aluminio y silicio. El elemento sirve en la fabricación de piezas de moldeo, especialmente en la industria automotriz y aeronáutica. Ejemplos de aplicaciones serían las llantas de automóviles o las piezas de motores eléctricos embarcados.
La aleación aluminio-silicio representa casi la mitad del consumo mundial de silicio. Como el sector automotriz tiene una fuerte demanda y no muestra ninguna indicación de inversión de la tendencia, esta perspectiva no parece que vaya a cambiar en los próximos años.
Los compuestos del silicio son numerosos, tanto como sus aplicaciones.
El carburo de silicio se obtiene electroquímicamente en sales fundidas a alta temperatura. De símbolo SiC, también es conocido como carborundo. El elemento se caracteriza por su gran estabilidad química, térmica y mecánica. Estas propiedades hacen del carburo de silicio un material excepcional en numerosos campos de aplicación como herramientas abrasivas y de corte, piezas de automóviles, energía y semiconductores.
En particular, el SiC nanoestructurado poroso es un material notable en numerosos campos: soportes catalíticos, dispositivos de detección de luz, acopladores ópticos y en una variedad de aplicaciones biomédicas. Esto debido a su amplia banda prohibida y su gran superficie.
La sílice se presenta en forma compacta o fragmentada en la naturaleza, como ejemplo los guijarros o el cuarzo y la arena. También existe sílice sintética molida. La sílice tiene numerosos usos.
El ferrosilicio es una aleación de hierro y silicio. La proporción de silicio en este cuerpo va generalmente del orden del 15 al 90%. Es el principal elemento de grado metalúrgico del silicio después de la transformación industrial. Se utiliza en numerosas industrias, como elementos de adición, en la elaboración de aceros o de fundiciones.
a partir de 49€
Hecho en España
Disponible, 7 días a la semana
Dentro de 14 días, satisfecho o reembolsado
PayPal, tarjeta de crédito, Visa, Mastercard, transferencia bancaria
4x sin intereses desde 30€ de compra con PayPal