Il silicio appartiene al IV gruppo della tavola periodica come il Carbonio, esso è l’elemento più abbondante sulla terra dopo dell’ossigeno.
Silicio e carbonio sono metalloidi tetravalenti, tuttavia il silicio è caratterizzato da minore reattività rispetto al carbonio; il silicio ha una minore
elettronegatività ed un maggiore raggio atomico rispetto al carbonio.
A differenza del carbonio il silicio non da’ doppi legami se non in alcuni composti silanici instabili.
L’atomo di Si
Numero atomico: 14
Configurazione elettronica: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
I 10 elettroni interni dell’atomo di silicio sono fortemente legati mentre i 4 elettroni più esterni, visualizzati in rosso, sono quelli
disponibili per 4 legami. I 4 elettroni esterni sono quelli responsabili della maggior parte delle proprietà chimiche del silicio.
La stessa configurazione elettronica con 4 elettroni esterni di valenza è condivisa dal Carbonio e dal Germanio.
Il reticolo cristallino del diamante: gli atomi di carbonio sono legati tra loro
condividendo gli elettroni di valenza in legami covalenti. In questa struttura ogni
atomo di carbonio occupa il vertice di un tetraedro. Ogni atomo condivide con i
vicini 8 elettroni che è una condizione di minimo di energia (massima stabilità).
Il silicio si combina, ad alta temperatura, con il carbonio per dare il carburo di silicio con una
struttura cristallina simile a quella del diamante e con forti legami carbonio Silicio. Anche in
questo caso ogni atomo di Si o di C condivide con i suoi vicini 8 elettroni. Questo materiale ha
elevata durezza, paragonabile al diamante, ed è inalterabile fino a temperature superiori a
2000 °C ma può essere prodotto in modo più economico, è quindi ampiamente usato
nell’industria come abrasivo. Poiché quando opportunamente drogato si rileva un buon
semiconduttore è un promettente materiale per l’industria elettronica. Per le sue
caratteristiche chimiche, stabilità fino alle alte temperature, non reattività con acqua, si
decompone senza fondere a 2760° C, è usato in metallurgia quale protettivo dei refrattari.
Nanostrutture di carburo di silicio ottenute
in particolari condizioni sperimentali.
Il silicio forma legami molto stabili con
l’ossigeno per cui in natura non si trova mai
allo stato elementare ma sempre combinato
con l’ossigeno in vari minerali per formare
silicati metallici come nelle argille, nei
feldspati, nei graniti. Il silicio si trova allo
stato naturale in forma di ossido nella
sabbia e nel quarzo.
Il quarzo, quando puro, è un materiale trasparente anche alle lunghezze d’onda
UV, può essere quindi usato come un ottimo vetro. Il vetro di quarzo (silice
amorfa) si ottiene con opportuno procedimento di fusione e raffreddamento della
silice stessa. Il vetro di quarzo, a causa dei forti legami Si-O, è altofondente (nella
forma pura la temperatura di fusione è di 2000° C) è duro cosicché la sua
lavorazione è difficoltosa e molto onerosa. Il vetro di quarzo è usato
prevalentemente per applicazioni tecnologiche, ad esempio in spettrofotometria.
Inserendo nella struttura del quarzo dei metalli alcalini o (mescolando la sabbia
quarzosa con carbonato di sodio o di potassio per ottenere dopo fusione i silicati di
questi metalli) si hanno materiali più duttili con temperature di fusione più basse
(circa 1000° C) e maggiore fluidità dei fusi, il vetro. I cationi dei metalli alcalini si
insinuano nel reticolo irregolare tridimensionale, costituito dai tetraedri SiO, causando
la rottura di alcuni legami Si-O, la creazione di interruzioni nella magliatura
modifica le proprietà del sistema. Il vetro così ottenuto è solubile in acqua per cui
si deveno aggiungere ossidi di Calcio, Manganese ed Alluminio per migliorarne la
resistenza chimica. Il vetro può poi essere colorato drogando i silicati con ossidi
metallici. Opportunamente dosando diversi ossidi metallici si possono modificare
le proprietà ottiche, meccaniche e termiche dei vetri cosicchè il vetro è usato nelle
più disparate applicazioni, da quelle estetiche come nei soprammobili a quelle di
alta tecnologia come nelle fibre ottiche per la trasmissione dei dati.
I silicati con le loro catene caratterizzate dai forti legami sono
anche alla base della chimica del cemento
I leganti cementizi hanno trovato applicazione anche nella
stabilizzazione dei rifiuti pericolosi.
Le lunghe catene di silicato tricalcico formano delle fibrille che intrecciandosi e legandosi
chimicamente originano il fenomeno della presa del cemento.
I cementi sono ottenuti a partire da materiali silicatici come argille per cottura ad alta
temperatura. In questa fase si ottiene il klinker, costituito prevalentemente da silice e ossido di
calcio con percentuali inferiori di ossidi metallici, in particolare di ferro e alluminio. Gli ossidi
sono stati ottenuti per perdita di acqua e anidride carbonica dai minerali originali. La
composizione del klinker può essere corretta con l’aggiunta di ossidi metallici. La miscela
ottenuta, il cemento, è facilmente idratabile e proprio le reazioni di idratazione degli ossidi
presenti nella miscela originano la presa del cemento. L’idoneo dosaggio degli ossidi nel cemento
serve a modulare le proprietà del cemento stesso originando diversi tipi di cemento e di leganti
cementizi idonei alle più svariate condizioni operative, dai cementi adatti all’uso in acqua a quelli
adatti per le temperature estreme.
