SILICIO » Qué es, Características, Usos

Las células solares están fabricadas con silicio, un elemento químico abundante en la naturaleza y relativamente económico. En este artículo hablamos de él y veremos sus características y aplicaciones.

Qué es el silicio 

La mejor forma de saber qué es el silicio es conociendo sus características.

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  • Se trata de un elemento químico con el símbolo Si y el número atómico 14.
  • Es un sólido cristalino duro y quebradizo con un brillo metálico azul grisáceo.
  • Es un metaloide y semiconductor tetravalente.
  • Forma parte del grupo 14 en la tabla periódica. El carbono está por encima de él; y el germanio, el estaño y el plomo están debajo de él.
  • Es relativamente poco reactivo.
  • Debido a su alta afinidad química por el oxígeno, no fue hasta 1823 cuando Jöns Jakob Berzelius fue capaz de prepararlo y caracterizarlo en forma pura.
  • 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, solo superados por el boro.

Se trata del octavo elemento más común en el universo por masa, pero muy raramente ocurre como el elemento puro en la corteza terrestre. Se distribuye más ampliamente en polvos, arenas, planetoides y planetas como diversas formas de dióxido de silicio (sílice) o silicatos.

Más del 90% de la corteza terrestre está compuesta de minerales de silicato, lo que convierte a este metal en el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre (alrededor del 28% en masa) después del oxígeno.

Cómo se usa comercialmente

La mayor parte del silicio se usa comercialmente sin estar separado, y a menudo con poco procesamiento de los minerales naturales. Tal uso incluye la construcción industrial con arcillas, arena de sílice 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 carreteras.

También se utilizan en la cerámica blanca, como la porcelana, y en el tradicional vidrio de soda-cal a base de cuarzo y muchas otras gafas especiales. Los compuestos de silicio, como el carburo de silicio, se utilizan como abrasivos y componentes de cerámica de alta resistencia.

Este elemento es la base de los polímeros sintéticos ampliamente utilizados llamados siliconas.

El silicio elemental también tiene un gran impacto en la economía mundial moderna. La mayoría del silicio libre se utiliza en las industrias de refinación de acero, fundición de aluminio y química fina (a menudo para producir sílice pirógena).

Aún más visible, la porción relativamente pequeña de silicio elemental muy altamente purificado utilizado en la electrónica de semiconductores (<10%) es esencial para los circuitos integrados: la mayoría de las computadoras, los teléfonos celulares y la tecnología moderna dependen de ello.

Es un elemento esencial en la biología, aunque los animales solo requieren rastros. Sin embargo, varias esponjas marinas y microorganismos, tales como diatomeas y radiolarias, segregan estructuras esqueléticas hechas de sílice. La sílice se deposita en muchos tejidos vegetales.

Aplicaciones del silicio

Usos industriales y en la construcción

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La mayor parte se usa industrialmente sin ser purificado, y de hecho, a menudo con un procesamiento relativamente pequeño de su forma natural.

Como se mencionó antes, 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 cargados negativamente 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 para el silicio son compuestos estructurales, ya sea como minerales de silicato o sílice (dióxido de silicio en bruto).

Antes decíamos que los silicatos se usan en la fabricación de cemento Portland (hecho principalmente de silicatos de calcio) que se usa en la construcción de mortero y estuco moderno, pero lo más importante, combinado con arena de sílice y grava (que generalmente contiene minerales de silicato como el granito), para hacer el concreto que es la base de la mayoría de los proyectos de construcción industrial más grandes del mundo moderno.

La sílice se utiliza para hacer ladrillos de fuego, 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 sosa-cal a base de sílice) también funciona en muchas de las mismas formas, y también se usa para ventanas y contenedores.

Otros usos

Además, las fibras de vidrio especiales basadas en 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 desmoldeantes, sellos mecánicos, grasas y ceras para alta temperatura y compuestos para calafatear.

La silicona también se usa a veces en implantes mamarios, lentes de contacto, explosivos y pirotecnia. Otros compuestos de silicio funcionan como abrasivos de alta tecnología y nuevas cerámicas de alta resistencia basadas en carburo de silicio. El silicio es un componente de algunas superaleaciones.

Aleaciones

El silicio elemental se agrega al hierro fundido como ferro-silicio o aleaciones de silicio-calcio para mejorar el rendimiento en la fundición de secciones delgadas y para prevenir la formación de cementita cuando se expone al aire exterior.

La presencia de silicio elemental en el hierro fundido actúa como un sumidero de oxígeno, por lo que el contenido de carbono del acero, que debe mantenerse dentro de límites estrechos para cada tipo de acero, puede controlarse más estrechamente.

La producción y uso de ferrosilicio es un monitor de la industria del acero y, aunque esta forma de silicio elemental es extremadamente impura, representa el 80% del uso mundial de silicio libre.

El silicio es un componente importante del acero eléctrico, modificando su resistividad y sus propiedades ferromagnéticas.

Las propiedades del silicio pueden usarse para modificar aleaciones con metales distintos al hierro. El silicio de “grado metalúrgico” es un silicio de 95 a 99% de pureza. Alrededor del 55% del consumo mundial de silicio metalúrgico se destina a la producción de aleaciones de aluminio-silicio (aleaciones de siluminio) para moldes de piezas de aluminio, principalmente para uso en la industria automotriz.

La importancia del silicio en la fundición de aluminio es 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, ya que las aleaciones de fundición se enfrían hasta la solidez. Este metal también mejora significativamente la dureza y, por lo tanto, la resistencia al desgaste del aluminio.

El silicio y la electrónica

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La mayor parte del silicio elemental producido permanece como una aleación de ferrosilicio, y solo aproximadamente el 20% se refina a pureza de grado metalúrgico (un total de 1.3 a 1.5 millones de toneladas / año).

Un estimado del 15% de la producción mundial de silicio de grado metalúrgico se refina aún más a la pureza de los semiconductores. Por lo general, esto es el “nueve-9” o 99.9999999% de pureza, material cristalino único casi sin defectos.

El silicio monocristalino de tal pureza generalmente se produce mediante el proceso Czochralski, se utiliza para producir obleas de silicio utilizadas en la industria de los semiconductores, en electrónica y en algunas aplicaciones fotovoltaicas de alto coste y alta eficiencia.

El silicio puro es un semiconductor intrínseco, lo que significa que, a diferencia de los metales, conduce agujeros de electrones y electrones liberados de los átomos por el calor. La conductividad eléctrica del silicio aumenta con las temperaturas más altas.

Además, el silicio puro tiene una conductividad demasiado baja (es decir, una resistividad demasiado alta) para ser utilizado como un elemento de circuito en la electrónica.

En la práctica, el silicio puro está dopado con pequeñas concentraciones de otros elementos, lo que aumenta considerablemente su conductividad y ajusta su respuesta eléctrica mediante el control del número y la carga (positiva o negativa) de los portadores activados. Dicho control es necesario para transistores, células solares, detectores de semiconductores y otros dispositivos semiconductores.

Papel biológico del silicio

Aunque el silicio está fácilmente disponible en forma de silicatos, muy pocos organismos lo usan directamente. Las diatomeas, la radiolaria y las esponjas silíceas utilizan sílice biogénica como material estructural para sus esqueletos.

En plantas más avanzadas, los fitolitos de sílice (fitolitos ópalos) son cuerpos microscópicos rígidos que se producen en la célula; algunas plantas, como el arroz, necesitan de este elemento para su crecimiento. Se ha demostrado que mejora la resistencia de la pared celular de la planta y la integridad estructural en algunas plantas.

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