Diapositiva 1 - Docenti.unina

Università degli Studi di Napoli
S.I.C.S.I.
SCUOLA INTERUNIVERSITARIA CAMPANA DI
SPECIALIZZAZIONE ALL’ INSEGNAMENTO
Corso:
Chimica degli elementi nell’ambiente
Docente: Prof.Andini
Le lezioni sono rivolte ad una terza classe di un istituto tecnico ad
indirizzo chimico. In particolare si colloca alla fine del corso di chimica.
L’argomento verrà trattato in due lezioni di due ore ciascuna.
Prerequisiti:
• Nozioni fondamentali della chimica generale.
• Reazioni chimiche
• Conoscere le caratteristiche del sistema periodico e le grandezze ad
esso correlate.
• Conoscere le caratteristiche di alcuni elementi e in particolare del
Carbonio.
Obiettivi:
• Conoscere le caratteristiche della chimica del silicio
• Capacità di confrontare la chimica del silicio e quella del carbonio
• Conoscere i principali campi d’applicazione del silicio e dei suoi
composti
• Impatto ambientale del silicio
TAVOLA PERIODICA
Caratteristiche
Nome, Simbolo
Silicio, Si
N°Atomico
14
Serie chimica
semimetallo
Gruppo, Periodo
(IVB), 3°
Colore
grigio scuro
Peso atomico
28,086
Configurazione
Elettronica
3s23p2
IV
G
R
U
P
P
O
Numero atomico
Peso atomico
Stato di
ossidazione
Simbolo
Densità
Configurazione
elettronica
Il silicio elementare è
polimorfo: si presenta
come fine polvere
marrone (silicio amorfo) o
come solido nero a riflessi
verdi di aspetto metallico
(silicio cristallino).
Quet’ultimo è un solido
cristallino a struttura
simile a quella del
diamante e si può
attenere in cristalli anche
di notevoli dimensioni,
duri e lucenti.
• Non viene attaccato dall'acido nitrico, cloridrico o
solforico, ma è solubile in acido fluoridrico; si
scioglie anche nella soda (idrossido di sodio),
formando silicato di sodio e idrogeno gassoso. Alle
normali temperature il silicio non si altera per
esposizione all'aria; alle alte temperature invece
reagisce con l'ossigeno formando la silice, e con
l'azoto e il cloro, formando rispettivamente nitruro
di silicio Si3N4 e tetracloruro di silicio SiCl4.
Il termine Silicio dal latino silex-silicis,
significa pietra dura, selce.
Il silicio non esiste allo stato libero e fu
isolato da Berzelius nel 1824.
Costituisce il 25,7% del peso della crosta
terrestre, della quale rappresenta l’elemento
più abbondante dopo l’ossigeno.
Si
• Molto abbondante nella crosta terrestre, il silicio
non si trova in natura allo stato elementare, ma
solo come diossido o come silicato.
• Il diossido di silicio esiste in tre forme cristalline
diverse: il quarzo, di cui sono note molte varietà
(come corniola, crisoprasio, selce onice, e diaspro),
la cristobalite e la tridimite.
Nella maggior parte degli organismi si trovano
in generale solo tracce di questo elemento,
abbastanza frequenti sono tuttavia i fenomeni
di silicizzazione di tessuti vegetali
Le diatomee estraggono la silice dall'acqua per
costruire i muri protettivi delle loro cellule;
Gli equiseti lo concentrano nel fusto della
pianta usandolo per conferirgli robustezza e
notevole resistenza alla masticazione, per
scoraggiare gli erbivori.
• E’ presente nella formazione di gusci
o esoscheletri silicei come nei
radiolari
• Si ritrova nelle foglie taglienti delle
graminacee
IL VETRO
può essere definito come solido amorfo, paragonabile ad un
fluido rigido la cui viscosità uguale o maggiore a 1015 Poise e nel
quale l’organizzazione spaziale delle unità strutturali è priva
dell’ordine geometrico caratteristico dello stato cristallino
Struttura cristallina
Struttura vetrosa
Struttura di un vetri
Na2O – SiO2
• I siliconi sono composti flessibili
contenenti legami silicio-ossigeno o
silicio-carbonio; sono ampiamente usati
in forma di gel per impianti artificiali
del seno e per le lenti a contatto
Preparazione
 Il
Silicio
viene
preparato
commercialmente tramite riscaldamento di
silice ad alta purezza, in una fornace
elettrica usando elettrodi di carbonio. A
temperature superiori a 1900°C, il
carbonio riduce la silice in silicio secondo
la seguente equazione chimica:
SiO2 + 2C → Si + 2CO
Il silicio prodotto tramite questo
processo viene chiamato silicio di grado
metallurgico
Il Silicio ad alto grado di purezza (usato
nell’industria dei semiconduttori) viene
preparato
trasformando
il
silicio
in
tetracloruro
di
silicio,
purificando
quest’ultimo per distillazione e riducendo il
tetracloruro con Mg o Zn:
SiO2 + 2C → Si + 2CO
Si + 2Cl2 → SiCl4
SiCl4 + 2Mg → Si + MgCl2
Processo Siemens: barre di silicio ultrapuro
sono esposte al triclorosilano a 1150°C; il gas
di triclorosilano si decompone e deposita
dell'altro silicio sulla barra, allargandola
secondo la reazione chimica:
2 HSiCl3 → Si + 2 HCl + SiCl4
Il silicio prodotto da questo e da processi simili
viene chiamato silicio policristallino. Il silicio
policristallino ha un livello di impurità pari a 1 parte
per miliardo o inferiore.
• A un certo punto, la DuPont produsse silicio
ultrapuro facendo reagire il tetracloruro di silicio
con vapori di zinco ad alta purezza a 950°C,
producendo silicio secondo la reazione:
SiCl4 + 2 Zn → Si + 2 ZnCl2
• Comunque questa tecnica è afflitta da problemi
pratici, (il cloruro di zinco, un sottoprodotto, si
solidifica bloccando le linee) e venne abbandonata a
favore del processo Siemens.
Nuova tecnologia
Data la sua abbondanza in natura e
la possibilità di controllare le sue
proprietà elettriche, il silicio trova
importanti impieghi nell’industria
elettronica per la realizzazione di
transistor e circuiti integrati
Il silicio è utile per l’elettronica in quanto è un
semiconduttore
cioè normalmente non conduce,
ogni atomo di silicio è legato covalentemente ad altri
quattro atomi, quindi due atomi vicini di un cristallo di
silicio puro hanno in comune una coppia di elettroni
Tuttavia con le
oscillazioni dovute
all’agitazione
termica,alcuni elettroni
riescono a raggiungere la
quantità di energia
sufficiente per superare
la barriera di potenziale
del livello energetico in
cui si trovano e si
staccano così dal nucleo
diventando elettroni di
conduzione.
Il Si è un semiconduttore estrinseco: introdurre nel
silicio una piccola quantità di atomi appartenenti al
III° o al V° gruppo (es. B, P), in modo da ottenere
due strutture differenti, una con un numero di
elettroni insufficiente (una struttura di tipo p),
l'altra con un numero di elettroni in eccesso (detta
di tipo n). Questo trattamento viene detto
drogaggio.
Struttura di
“tipo p”
Struttura di
“tipo n”
Lacuna del
boro
Eccesso di
e- del
fosforo
• Poiché il silicio è un importante elemento
dei semiconduttori e di tutta l'industria
elettronica, la regione di Silicon Valley
in California, nota per le numerose
aziende di informatica ed elettronica,
prende il suo nome da questo elemento
(Silicon in inglese).
Carbonio
Silicio
Non metallo
Semimetallo
2s22p2
Ibridazione sp3
Costituente dei
composti organici
3s23p2
Ibridazione sp3
Costituente del regno
minerale
Come il C il Si ha la
possibilità di eccitare un
elettrone dall’orbitale s a
quello di tipo p per
raggiungere valenza 4 :
( Ibridazione sp3 )
Ibridazione sp3
p
__ __ __
p
__ __ __
sp3 __ __ __ __
s
__
stato fondamentale
s
__
stato eccitato
stato ibridazione sp3
Il Si, a differenza del C, non forma le
lunghe catene tipiche della chimica organica.
Infatti il legame silicio-silicio ha un’energia
troppo bassa che non permette una grande
stabilità. Per questo motivo gli atomi di silicio
sulla Terra tendono a legarsi con l’ossigeno
atmosferico, formando catene Si-O-Si-O-....
in cui ogni atomo di silicio si lega a 4 atomi di
ossigeno dando i Silicati.
Effetti del silicio sulla salute
• Il silicio è un oligaelemento
• Il silicio è presente nella buccia dei frutti, dei cereali
integrali, nel pane integrale, nell’aglio, nella cipolla,
nello scalogno, nel cavolfiore, nella fragola, nei piselli
freschi, nelle mele.
• Ha effetti positivi per le arterie, la pelle, i capelli.
La sua carenza aumenta le lesioni ateromatose e coronariche.
Provoca un ritardo nella crescita, atrofia di numerosi organi, in
presenza di fratture una sua carenza ritarda la formazione
dell’osso, disturbi della pelle, unghie, capelli, smagliature e
perdita di elasticità dei tessuti, invecchiamento precoce della
pelle.
• Una seria malattia dei polmoni chiamata
silicosi è molto frequente tra i minatori,
i tagliatori di pietre e altri lavoratori
che sono impegnati in lavori dove polvere
di silicati viene inalata in grandi
quantità.
• Effetti del silicio sull'ambiente:
Non sono stati riportati effetti negativi
sull'ambiente.