Síntese industrial de silício técnico
Em escala industrial, o silício é obtido utilizando altas temperaturas em fornos elétricos especializados. A matéria-prima inicial é o dióxido de silício ($SiO_2$), e o agente redutor é o carbono (geralmente na forma de carvão).
A essência do processo é que o carbono, sob forte aquecimento, retira o oxigênio do dióxido de silício. Como resultado, forma-se silício livre e libera-se monóxido de carbono, que deixa a zona de reação:
$$SiO_2 + 2C = Si + 2CO\uparrow$$
Este método é economicamente viável; no entanto, o produto assim obtido contém uma quantidade significativa de impurezas e não é adequado para produções de alta tecnologia.
Síntese de silício de alta pureza
Para a criação de dispositivos semicondutores, é necessário silício com um teor mínimo de átomos estranhos. O método industrial de redução por carvão é totalmente inadequado para esses fins.
O silício de alta pureza é obtido por via indireta — através de halogenetos. A substância inicial é o cloreto de silício ($SiCl_4$). Como agente redutor potente, utiliza-se um metal alcalino: o sódio ($Na$). Durante a interação química, o sódio se liga ao cloro, liberando silício puro:
$$SiCl_4 + 4Na = Si + 4NaCl$$
O elemento obtido possui as propriedades semicondutoras necessárias e pode ser utilizado na eletrônica.
Obtenção e purificação em laboratório
Em condições de laboratório químico, o silício livre é obtido pelo método aluminotérmico — corrigindo para: por via magnesiotérmica. Para isso, utilizam-se reagentes acessíveis: areia branca pura (que consiste em dióxido de silício $SiO_2$) e pó de magnésio metálico ($Mg$).
Procedimento experimental:
- As substâncias iniciais são misturadas minuciosamente.
- A reação é iniciada por ignição (é conveniente usar uma fita de magnésio em chamas como espoleta).
- Ocorre uma reação exotérmica violenta, na qual o magnésio reduz o silício:
$$SiO_2 + 2Mg = Si + 2MgO$$
Purificação do produto: Após a conclusão da reação, forma-se uma mistura contendo o silício de interesse e um subproduto — o óxido de magnésio ($MgO$). Para isolar o elemento puro, a massa formada é tratada com uma solução de ácido clorídrico ($HCl$). O ácido dissolve o óxido de magnésio, deixando o silício intacto. Como resultado da filtração e lavagem, o silício é isolado na forma de um pó cinza-escuro característico. Nesse estado, ele é chamado de silício amorfo.
Processos secundários e formação de silano
A síntese laboratorial utilizando magnésio raramente ocorre de forma perfeitamente suave. Juntamente com a reação principal de redução do dióxido de silício, parte do redutor interage com o silício formado. Isso leva ao aparecimento de uma impureza indesejada — o silicieto de magnésio ($Mg_2Si$).
A presença de silicieto de magnésio é detectada na etapa de purificação ácida da mistura. Quando o ácido clorídrico entra em contato com o $Mg_2Si$, ocorre uma reação de decomposição acompanhada pela liberação de gás:
$$Mg_2Si + 4HCl = SiH_4\uparrow + 2MgCl_2$$
O gás liberado é chamado de silano ($SiH_4$). Trata-se de um composto hidrogenado de silício que, em sua estrutura química, é um análogo estrutural completo do metano ($CH_4$), onde o átomo central de carbono é substituído por um átomo de silício.
Resumo: perguntas e respostas sobre o tema
Quais são as modificações alotrópicas existentes do silício livre?
O silício livre não possui modificações alotrópicas, ele forma apenas uma substância simples. Ao contrário do carbono, o silício é representado por uma única substância que possui uma rede cristalina do tipo diamante. Externamente, é um material frágil cinza-escuro com brilho metálico. Na obtenção laboratorial por meio da redução do óxido de silício com magnésio, forma-se um pó cinza-escuro, tradicionalmente chamado de silício amorfo.
Qual doença profissional pulmonar se desenvolve com a inalação prolongada de poeira de dióxido de silício?
Com a inalação prolongada de poeira de dióxido de silício, desenvolve-se a silicose. Esta doença profissional pertence ao grupo das pneumoconioses. Todos os tipos de pneumoconiose caracterizam-se pelo desenvolvimento de pneumofibrose nos pulmões. O dióxido de silício possui propriedades imunogênicas pronunciadas, e o dióxido de silício cristalino é classificado como carcinógeno ocupacional.
Se o dióxido de silício não estiver em estado livre, mas sim combinado com outros elementos, desenvolvem-se as silicatoses — pneumoconioses causadas por poeira contendo silicatos. Estas incluem, por exemplo, a asbestose e a talcose.
Questões de aulas e exames
Por que o silício para semicondutores não é obtido por redução com carvão em fornos?
O processo em fornos elétricos com a participação de carvão produz silício técnico, contaminado com impurezas de carbono e outros elementos. Para a microeletrônica, exige-se pureza ideal, a qual é garantida apenas pela redução a partir de cloreto de silício com sódio.
Por que o ácido clorídrico é utilizado na obtenção laboratorial de silício?
O ácido clorídrico é necessário para a purificação do produto final. Ele dissolve o óxido de magnésio ($MgO$) subproduto e as impurezas de silicieto de magnésio, deixando o pó cinza-escuro insolúvel de silício amorfo puro.
O que é silano e sob quais condições ele se forma no laboratório?
O silano ($SiH_4$) é um composto hidrogenado de silício, análogo ao metano. Ele é liberado na forma de gás como subproduto na etapa de purificação, quando o ácido clorídrico destrói a impureza formada de silicieto de magnésio ($Mg_2Si$).
O que mais estudar sobre o tema
- Estrutura e propriedades do silício amorfo em comparação com o cristalino
- Característica comparativa do silano ($SiH_4$) e do metano ($CH_4$)
- Propriedades químicas e aplicações do cloreto de silício ($SiCl_4$)
- A natureza da ligação química em silicietos metálicos
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