Síntesis industrial de silicio técnico
A escala industrial, el silicio se obtiene utilizando altas temperaturas en hornos eléctricos especializados. Como materia prima inicial actúa el dióxido de silicio ($SiO_2$), y el agente reductor es el carbono (generalmente en forma de carbón).
La esencia del proceso radica en que el carbono, bajo un calentamiento intenso, sustrae el oxígeno del dióxido de silicio. Como resultado, se forma silicio libre y se libera monóxido de carbono, el cual abandona la zona de reacción:
$$SiO_2 + 2C = Si + 2CO\uparrow$$
Este método es económicamente rentable; sin embargo, el producto obtenido de este modo contiene una cantidad significativa de impurezas y no es adecuado para producciones de alta tecnología.
Síntesis de silicio de alta pureza
Para la creación de dispositivos semiconductores se requiere silicio con un contenido mínimo de átomos extraños. El método industrial de reducción con carbón no es adecuado para estos fines en absoluto.
El silicio ultrapuro se obtiene de forma indirecta, a través de halogenuros. La sustancia de partida es el cloruro de silicio ($SiCl_4$). Como agente reductor potente se emplea un metal alcalino: el sodio ($Na$). Durante la interacción química, el sodio se combina con el cloro, liberando silicio puro:
$$SiCl_4 + 4Na = Si + 4NaCl$$
El elemento obtenido posee las propiedades semiconductoras necesarias y puede utilizarse en electrónica.
Obtención y purificación en laboratorio
En las condiciones de un laboratorio químico, el silicio libre se obtiene por el método aluminotérmico (ndR: el texto ruso dice magnesio-térmico, se traduce como magnesio-térmico). Para ello se utilizan reactivos accesibles: arena blanca pura (que representa dióxido de silicio $SiO_2$) y polvo de magnesio metálico ($Mg$).
Desarrollo del experimento:
- Las sustancias iniciales se mezclan minuciosamente.
- La reacción se inicia mediante ignición (como iniciador es útil utilizar una cinta de magnesio en combustión).
- Tiene lugar una reacción exotérmica violenta en la cual el magnesio reduce el silicio:
$$SiO_2 + 2Mg = Si + 2MgO$$
Purificación del producto: Tras finalizar la reacción, se forma una mezcla que contiene el silicio deseado y un subproducto: óxido de magnesio ($MgO$). Para aislar el elemento puro, la masa resultante se trata con una solución de ácido clorhídrico ($HCl$). El ácido disuelve el óxido de magnesio, dejando el silicio intacto. Como resultado de la filtración y el lavado, el silicio se aísla en forma de un característico polvo gris oscuro. En este estado recibe el nombre de silicio amorfo.
Procesos secundarios y formación de silano
La síntesis en laboratorio utilizando magnesio rara vez transcurre de forma ideal. Junto con la reacción principal de reducción del dióxido de silicio, una parte del reductor interacciona con el silicio formado. Esto conduce a la aparición de una impureza indeseada: siliciuro de magnesio ($Mg_2Si$).
La presencia de siliciuro de magnesio se detecta en la etapa de purificación ácida de la mezcla. Cuando el ácido clorhídrico entra en contacto con el $Mg_2Si$, se produce una reacción de descomposición acompañada de la liberación de gas:
$$Mg_2Si + 4HCl = SiH_4\uparrow + 2MgCl_2$$
El gas liberado se denomina silano ($SiH_4$). Es un compuesto hidrogenado de silicio que, por su estructura química, es un análogo estructural completo del metano ($CH_4$), donde el átomo central de carbono es reemplazado por un átomo de silicio.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Qué modificaciones alotrópicas del silicio libre existen?
El silicio libre no posee modificaciones alotrópicas, solo forma una sustancia simple. A diferencia del carbono, el silicio está representado por una única sustancia que tiene una red cristalina de tipo diamante. Externamente es un material frágil de color gris oscuro con brillo metálico. En la obtención en laboratorio mediante la reducción del óxido de silicio con magnesio, se forma un polvo gris oscuro que tradicionalmente se denomina silicio amorfo.
¿Qué enfermedad pulmonar profesional se desarrolla al inhalar polvo de dióxido de silicio durante un período prolongado?
Tras la inhalación prolongada de polvo de dióxido de silicio se desarrolla silicosis. Esta enfermedad profesional pertenece al grupo de las neumoconiosis. Todas las tipos de neumoconiosis se caracterizan por el desarrollo de neumofibrosis en los pulmones. El dióxido de silicio posee marcadas propiedades inmunógenas, y el dióxido de silicio cristalino se clasifica como carcinógeno laboral.
Si el dióxido de silicio no se encuentra libre, sino en estado combinado con otros elementos, se desarrollan silicatos (ndR: silicatos como grupo de enfermedades son silicatos/silicatosis): silicatosis, neumoconiosis provocadas por polvo que contiene silicatos. Estas incluyen, por ejemplo, la asbestosis y la talcosis.
Preguntas de clases y exámenes
¿Por qué el silicio para semiconductores no se obtiene mediante reducción con carbón en hornos?
El proceso en hornos eléctricos con participación de carbón produce silicio técnico, contaminado con impurezas de carbono y otros elementos. Para la microelectrónica se requiere una pureza perfecta, la cual solo es proporcionada por la reducción a partir de cloruro de silicio con sodio.
¿Para qué se utiliza ácido clorhídrico en la obtención de silicio en el laboratorio?
El ácido clorhídrico es necesario para la purificación del producto final. Disuelve el óxido de magnesio secundario ($MgO$) y las impurezas de siliciuro de magnesio, dejando un polvo gris oscuro insoluble de silicio amorfo puro.
¿Qué es el silano y bajo qué condiciones se forma en el laboratorio?
El silano ($SiH_4$) es un compuesto de hidrógeno del silicio, análogo al metano. Se libera en forma de gas como subproducto en la etapa de purificación, cuando el ácido clorhídrico destruye la impureza formada de siliciuro de magnesio ($Mg_2Si$).
Qué más repasar sobre el tema
- Estructura y propiedades del silicio amorfo en comparación con el cristalino
- Característica comparativa del silano ($SiH_4$) y el metano ($CH_4$)
- Propiedades químicas y aplicación del cloruro de silicio ($SiCl_4$)
- Naturaleza del enlace químico en los siliciuros metálicos
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