SILICIO
Nombre: Silicio (del mineral Sílex)
Símbolo: Si
Grupo: 14
Período: 3
Bloque: p
Categoría: Metaloides
Número atómico: 14
Masa atómica: 28,085 u
Electrones por capa: 2, 8, 4
Electronegatividad: 2,04
Densidad: 1,9 gr/cc
Punto de Fusión: 1414ºC
Punto de Ebullición: 2900ºC
Conductividad Térmica: 150 W (m·K)
Conductividad Eléctrica: 1000 S/m
Orden Magnético: Diamagnético
Estado Ordinario: Sólido
Estados de Oxidación: -4, -3, -2, -1, 1, 2, 3, 4
Dureza Mohs: 6,5
Dureza Vickers: 9630
Dureza Brinell: Sin datos
Isótopos más estables: Si-28 (92,2%), Si-29 (4,7%), Si-30 (3,1%)
Descubridor: Jöns Jakob Berzelius (1823)
El Silicio es el elemento sólido más abundante de la corteza terrestre y también del manto exterior del planeta. También es muy abundante (casi podría decir -particularmente- abundante en el Universo Observable). La base de más del 90% de los minerales, con gran afinidad por el Oxígeno, presente en la mayoría de los meteoritos y el verdadero “hueso” de la parte de la Tierra en la que vivimos, asumiendo, románticamente, que los grandes bosques son los “pulmones” de la misma.
Está presente en cantidades de miles de millones de toneladas en la capa más externa y en la Tierra como planeta en sí, el litófilo por excelencia, con isótopos extremadamente estables y fáciles de producir durante la nucleosíntesis de las grandes estrellas. Su producción se ve favorecida por encima de otros elementos pertenecientes al proceso de captura de núcleos alfa como el vecino Azufre o el Magnesio, prueba irrefutable de que el núcleo de 14 protones es particularmente fácil de crear y libera mucha energía, a tal punto que, después del Hierro, se trata del elemento sólido más abundante en los planetas llamados “rocosos” (Mercurio, Venus, Tierra y Marte por orden de aproximación al Sol, donde por cierto también ha sido observado mediante espectrometría). Puro no se encuentra, pero se lleva usando de manera indirecta desde que el primer homínido golpeó una roca contra otra bien para darle forma y/o filo o como martillo rudamentario. La famosa “Edad de Piedra” es la primera de todas, y lleva como protagonista a éste elemento de forma indirecta.
La forma más pura del elemento que podemos encontrar de forma natural es el llamado “Cristal Roca”, calidad gema del Cuarzo (SiO2). Actualmente es más famoso por su uso en la industria electrónica, donde se usa como semiconductor.
Características principales
Es un metaloide de color azul-grisáceo oscuro y de lustre metálico perteneciente al grupo del Carbono en la tabla periódica. Duro, quebradizo y fácilmente pulverizable. Después del Oxígeno, es el elemento químico más abundante (en peso) de la superficie terrestre, pero su obtención es algo costosa, y la purificación, problemática. Se obtiene de la arena de gran pureza (Cuarzo) y se trata con Cloro para su posterior destilación. Es muy resistente a la corrosión. El elemento presenta dos modificaciones principales: forma monocristalina y policristalina, también se puede encontrar Silicio amorfo, de poca utilidad. Es el semiconductor más importante en la industria electrónica, no obstante, en este apartado nos referiremos a el como aleante desde la perspectiva de un metalúrgico. Las propiedades que imprime a las aleaciones, usos típicos, etc.
Compatibilidad con los no-metales
El Silicio forma compuestos -cerámicos- con los no-metales. Con el Carbono forma el Carburo de Silicio (SiC), una de las cerámicas más populares. Con el Nitrógeno forma Nitruro de Silicio (Si3N4) la cerámica más tenaz, y con el Oxígeno, el Dióxido de Silicio (SiO2) en su forma más pura, Cuarzo común (se conoce como Cristal Roca en bisutería). Estos compuestos son muy estables a la corrosión. También forma silicatos (ejemplo: Silicato de Wolframio), si bien no son cerámicas, se clasifican como compuestos intermetálicos. Algunos son muy estables, mientras que otros no.
Con los metales
El Silicio es soluble en la mayoría de metales bases, a saber, Aluminio, Hierro, Níquel, Cobre, etc. Se agrega a estos en el momento de la fundición, produciéndose así la fusión por contacto químico. Con los metales del bloque p la solubilidad decrece enormemente, y no es compatible con la mayoría de estos, si bien puede formar compuestos intermetálicos, como se ha expuesto previamente en el caso del Aluminio.
Normalmente se añade en pequeñas dosis (0.5% - 2%) debido a que sobre esta cantidad, vuelve frágil a la aleación. Tiene tres usos principales: desoxidante, agente anti-corrosivo y para elevar la conductividad eléctrica del acero. En algunos latones y bronces, se utiliza como endurecedor.
Aplicaciones
Aunque el Silicio se puede y de hecho se usa en estado elemental en la industria electrónica, El 90% del Silicio producido a nivel mundial cada año es en la forma de óxido como materia prima para la industria de la obra (construcción), fabricación de hornos, crisoles, y por supuesto todos los vidrios (cristales), et cétera. También es la base de porcelanas.
En electrónica formas alternativas de Cuarzo se usan para fabricar la famosa y moderna fibra óptica, con propiedades superiores a las del Cobre y la Plata.
El Silicio también es la base de la famosa “Fibra de Vidrio”
Como desoxidante, se agrega al Cobre, Acero, Acero Inoxidable, aleaciones de Níquel y Cobalto, et cétera como desoxidante en el momento de la colada, ya que “roba” el Oxígeno al metal, actuando como elemento de sacrificio in situ. Esto se traduce en una reducción del tamaño del grano, lo cual incrementa la tenacidad.
En el Acero al Carbono, cantidades de hasta 1,1% (acompañadas con Manganeso) son utilizadas ya que sorprendentemente, aumenta la flexibilidad del metal. Se usa en Aceros que requieran resistencia a los golpes (impactos) como por ejemplo aquellos usados en martillos neumáticos (en España: martillo pilón), martillos al alto Carbono, piezas de demolición, palas de excavadoras, etc. También en muelles: es muy elástico y soporta bien el estrés mecánico.
Acero para partes eléctricas (no confundir con ferrosilicio)
En el Acero usado en partes eléctricas se utiliza en un porcentaje alto (sobre el 6%) para elevar la conductividad eléctrica del metal, aunque no aumenta la resistencia a la corrosión (véase FerroSilicio).
En el Cobre y sus aleaciones
En el Cobre la cantidad puede llegar hasta el 2% (aunque en este caso ya sería un Bronce al Silicio). Aumenta la tenacidad y la resistencia a la corrosión, pero disminuye la conductividad eléctrica. A partir del 2%, la tenacidad se pierde y la aleación pasa a ser frágil. Se moldea con mayor facilidad que el bronce tradicional, pero no es tan fácil de obtener. El precio es asequible.
Como agente anti-corrosión
El Silicio es muy resistente a la corrosión. De hecho, solamente el ácido fluorhídrico (HF) es capaz de atacarlo a temperatura ambiente (los resultados del contacto entre estos elementos son catastróficos).
A temperatura ambiente, resiste todos los ácidos oxidantes y reductores comunes (con la excepción del fluorhídrico), álcalis y demás soluciones químicas.
De capital importancia es destacar que el ácido sulfúrico no lo ataca (incluso a altas temperaturas), no importa si en estado diluido (reductor) o concentrado (oxidante), es inerte.
En el Cobre, la presencia del Silicio hasta un 2% aumenta considerablemente la resistencia a la corrosión, ya que es un elemento pasivador (forma el óxido superficial e impide el ataque posterior). Lamentablemente, la cantidad de Silicio necesaria para crear una capa lo suficientemente estable como para usarse en presencia de ácidos como el sulfúrico concentrado es demasiado alta; formaría un bronce tan frágil que se fragmentaría al mero toque de un martillo.
En el acero sucede lo mismo, y la adición de hasta un 1% en el caso de los aceros austeníticos AISI 304 y 316 tiene que ver más con su efecto desoxidante que con el incremento de la resistencia a la corrosión. Sobre esta cantidad, el acero pierde su tenacidad y se vuelve demasiado frágil.
Solamente el Níquel parece “aceptar” grandes dosis de Silicio sin perder la tenacidad. La aleación Hastelloy D, cada vez menos usada, es muy resistente frente al ataque del ácido sulfúrico en cualquier concentración y temperatura (incluso en estado de ebullición). Contiene un mínimo de 8% de Silicio en masa, pero la composición química es compleja, y la aleación, cara.
En los bronces de Aluminio, la combinación Aluminio 7.5%, Silicio 2.5% con el resto formado por pequeñas cantidades de Níquel, zinc, etc y base de Cobre alcanza los mayores niveles de resistencia frente a la formación de sulfatos (tan frecuentes en las aleaciones con base de Cobre) se utiliza en bisutería y piezas ornamentales como imitación del oro, pero no puede ser trabajada por un joyero (se fabrica, no obstante, en hornos especiales). Es el bronce al Aluminio de mayor calidad en lo tocante a lo estético, ya que retiene su lustre mejor que ningún otro (debido a la combinación de dos capas pasivadoras, a saber Al2O3 – por el Aluminio y SiO2 – por el Silicio).