Propriedades do Silício e seus Compostos

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE SANTA CRUZ – UESC
KENDRIA SANTOS CEZAR
ÍSIS DE JESUS SILVA
O SILÍCIO E SEUS COMPOSTOS 
ILHÉUS – BAHIA 
2018
INTRODUÇÃO
O Silício (Si) é um elemento da família 4A, e a sua configuração eletrônica é [He] 3s2 3p2, o estado tetravalente se manifesta com a tendência para formar ligações covalentes. O silício nunca é encontrado na forma isolada, sempre é combinado a outro elemento e só possui uma forma cristalina, que é a mesma do diamante. É um elemento de cor cinza, de brilho metálico, duro e quebradiço que conduz corrente elétrica e sua condutância aumenta com a elevação da temperatura. Segundo o Atkins o tamanho da falha na banda eletrônica e a condutividade do silício são essenciais para as aplicações em semicondutores.	É um elemento relativamente inerte e resiste muito bem à ação da maioria dos ácidos. O silício transmite mais de 95% dos comprimentos de onda das radiações infravermelhas; ele também reage com os halogênios e álcalis.	Do latim, silex ou silicis, que quer dizer “pedra dura”, o silício é o segundo elemento mais abundante encontrado na natureza, a sua forma mais comum de ser encontrada é no dióxido de silício (SiO2) também conhecido como sílica, que é um composto amplamente utilizado na indústria química inorgânica, é o principal componente do vidro, cimento, cerâmica, silicones, entre outros. El Shafei atribui a elevada resistência térmica da sílica à interação entre os dois elétrons p desemparelhados nos orbitais 2py e 2pz do oxigênio e o orbital d vazio do silício, resultando em ligações de caráter π, que sobrepostas adequadamente às ligações σ, produzem o aumento de energia de todas as ligações Si-O. 	A sílica ao se combinar com o oxigênio e outros elementos, forma silicatos. Os silicatos representam uma classe mineral em torno de 30% de todos os minerais conhecidos, onde sua capacidade de polimerização está diretamente vinculada a sua diversidade. Os principais silicatos são o quartzo (SiO2), asbestos (H4Mg3Si2O9), zeolita [Na2(Al2Si3O10)∙H2O] e mica [K2Al2(Al2Si3O10)∙H2O.
OBJETIVO GERAL 
Estudar o elemento químico Silício (Si) e os compostos que o contém analisando as suas propriedades. 
OBJETIVOS ESPECÍFICOS 
Estudar as principais propriedades dos silicatos.
Obter gel e sol de silicato e verificar os seus principais aspectos.
Testar a propriedade adsorvente da sílica gel
Caracterizar os tipos de colóides de silicato.
Entender o processo sol-gel 
MATERIAIS E REAGENTES 
Fenolftaleína
Solução de Silicato de Sódio (25%) – Na2SiO3
Ácido Clorídrico (10%) – HCl
Béqueres 
Água destilada 
Chapa de aquecimento 
Pedaços de vidro
Almofariz 
Sílica gel
Tubos de ensaio + Grade
Capela
Provetas 
Solução de Sulfato de Cobre (II)
Solução de Amônia
Fitas de pH
Conta-Gotas 
PARTE EXPERIMENTAL
Procedimento 1: Silicato de sódio, ácido silícico, soluções coloidais 
1- Adicionou-se uma gota de fenolftaleína a um tubo de ensaio a) contendo 2 mL de uma solução de silicato de sódio (25%); ácido clorídrico concentrado foi adicionado, gota a gota e com agitação, até a neutralização da solução. 
 	Em seguida adicionou-se a um tubo de ensaio b) contendo também 2 mL de uma solução de silicato de sódio (25%), rapidamente e com agitação, 4 mL de ácido clorídrico concentrado. 
Os tubos a) e b), com as respectivas soluções, foram submetidos ao aquecimento em banho-maria e observou-se as mudanças ocorridas a respeito da consistência física da mistura, no percurso de 30 minutos: 
*A adição de ácido clorídrico concentrado nos tubos a) e b) foi em capela 
2- Para testar a propriedade adsorvente da sílica gel, era recomendado a sua utilização para descolorir uma solução azul de íons cobre (II) em meio amoniacal (0,1 mol L-1). No entanto, a solução utilizada foi resultado da mistura das soluções de sulfato de cobre e de amônia. Nesta solução adicionou-se certa quantidade de bolinhas de sílica gel e foi deixada em descanso por um período pequeno de tempo, a solução foi filtrada e a sílica lavada com ácido clorídrico.
Procedimento 2: Vidro 
Em um almofariz foi colocado alguns pedaços de vidro comum que foram batidos até pulverizar. O vidro pulverizado foi colocado em um tubo de ensaio e adicionou-se um pouco de água destilada. A mistura foi submetida ao aquecimento e gotas de fenolftaleína foram adicionadas para comprovar o pH da solução.
RESULTADOS E DISCUSSÕES 
Procedimento 1: Silicato de sódio, ácido silícico, soluções coloidais 
1- Colóides são partículas sólidas com diâmetro compreendido entre 10 e 1000 Å dispersas em um meio. Nos colóides, as forças de interação que dominam são as forças de curto alcance, como as forças de van der Walls e as elétricas devido às cargas presentes na superfície das partículas. Os colóides possuem algumas classificações, dentre elas duas se destacam: Sol, dispersão de colóides (sólido) em um líquido, e Gel, um líquido disperso em um sólido.	O silicato de sódio é misturado ao ácido clorídrico, levando à precipitação da sílica por catálise ácida resultando num sistema coloidal. As condições de reação (velocidade de adição dos reagentes, concentração, agitação, temperatura e pH) determinam as propriedades da sílica precipitada, em especial a dimensão das partículas definindo o tipo de colóide. Sendo assim, após a mistura e aquecimento o pH é reduzido e um processo de condensação dos grupos SiOH substituem o pH levando a formação de um polímero indefinido (colóide).												Pôde-se observar que os tubos não apresentam colóides iguais confirmando que as condições descritas na literatura influenciam o processo; pressupõe-se que a temperatura tenha influenciado a cinética da reação além de determinar a natureza do colóide. No tubo a) como foi adicionada a fenolftaleína observou-se a coloração rosa na superfície de um colóide semelhante a um gel, denunciando a diminuição do pH. No tubo b) onde a adição de HCl foi rápida observou-se a formação de um sol. 				
2- A sílica gel é um polímero inorgânico não cristalino com alta porosidade constituído por unidades SiO4 tetraédricas ligados entre si pelos seus vértices distribuídas aleatoriamente. Cada vértice está ocupado por um oxigênio comum a dois tetraedros. A estrutura interna está ligada por pontes de siloxano, com as cargas neutralizadas, e a superfície apresenta grupos silanóis, onde o íon oxigênio está ligado somente a um íon de silício, ficando uma carga negativa desequilibrada; este último grupo determina, em geral, a reatividade química. O íon H+ combina-se com o O2- na presença de água, enquanto que o íon hidroxila OH- se combina com o Si4+, concluindo deste modo o tetraedro e formando uma superfície com grupos OH. As hidroxilas da superfície são passíveis de modificação química, portanto, uma matriz de sílica pode ser utilizada para ancorar outras substâncias como íons metálicos ou moléculas orgânicas. 	A adsorção de íons de cobre (II) na superfície da sílica ocorre através de interações químicas. O cátion metálico interage com as hidroxilas dissociadas dos grupos silanois. A amônia confere basicidade a solução, favorecendo essa interação, pois, o grau de cobertura dos cátions é proporcional ao aumento do pH. 												Nesse sentido os ions cobre se ligam a molécula de sílica e é possível ver o descoramento da solução anteriormente azul, e uma mudança na coloração das bolinhas de sílica gel inicialmente azuladas e por fim rosas. Os grupos hidroxilas na superfície da sílica gel são fracamente ácidos, por isso quando lavada em ácido clorídrico esperava-se que a solução retornasse ao azul, por reduzir o pH e perturbar o equilíbrio da reação, favorecendo as hidroxilas e não as ligações com o Cobre (II).
Procedimento 2: Vidro 
Mais ou menos 70% da composição do vidro é a areia, é da areia quem vem a sílica (dióxido de silício), 14% é da barrilha (carbonato de sódio), essa substância fornece o sódio para o vidro, a principal função da barrilha é baixar o ponto de fusão do silício fazendo o silício ficar maisfácil de derreter. O outro componente é o calcário, é dele que se tira o cálcio, desse material é aproveitado o óxido de cálcio, que faz o vidro ficar resistente a água. O vidro não é considerado sólido, ele se acentua no estado vítreo que é quando um polímero está em um estado desordenado rígido, é uma forma da matéria que mantém a estrutura, energia e volume de um líquido, mas, cujas mudanças na energia e no volume com a temperatura são similares, em magnitude, àquelas de um sólido cristalino. São caracterizados por terem uma aparência sólida com uma certa dureza e rigidez, são amorfos, opticamente isotrópicos, transparentes à maior parte do espectro eletromagnético da radiação visível, não apresentam um ponto claramente marcado de transição entre o estado sólido e o líquido. Em muitos casos, observa-se um distúrbio ordenado, isto é, a presença de grupos ordenados que são distribuídos no espaço de maneira totalmente ou parcialmente aleatória. 									O processo Sol-Gel pode ser definido como um método de obtenção de materiais vítreos ou cerâmicos através da preparação de um Sol, seguida pela sua geleificação e remoção da fase líquida. Como principal reação de dissolução dos silicatos ocorre a hidrólise, que se inicia quando as superfícies de contato dos minerais silicáticos desequilibram-se em suas valências e permitem a aproximação das moléculas de água. Esta hidratação transforma o SiO2 em H4SiO. No entanto, o fator que mais influencia a solubilidade da sílica é o aumento de temperatura. Sendo assim podemos entender porque a solução final do vidro misturado em agua sob aquecimento geleificou, caracterizando o processo sol-gel, e também porque houve a diminuição do pH.
TABELA 1: Diferentes tipos de vidros e suas aplicações típicas.
	VIDRO
	CARACTERÍSTICAS
	COMPOSIÇÃO
	APLICAÇÕES
	BOROSSILICATOS
	São resistentes ao calor e aos elementos químicos.
	São fabricados adicionando boro aos componentes tradicionais do vidro.
	Usado nos laboratórios e indústrias químicas, em equipamento de cozinha, iluminação e em janelas especiais.
	SODO-CÁLCICOS
	Tem maior resistência ao produto final.
	Adiciona-se sódio e cálcio a sílica.
	Utilizados em garrafas, frascos, potes, janelas, bulbos e tubos de lâmpadas.
	SÍLICA VÍTREA
	São altamente viscosos.
	Aquecendo-se areia de sílica ou cristais de quartzo com temperatura de fusão da sílica 1.725°C.
	Utilizados para produção de fibras óticas.
	SILICATOS ALCALINOS
	Reduz a viscosidade do vidro fundido de sílica;
Diminuem a resistência química do vidro.
	Adiciona-se um fluxo ou modificador de rede.
	Utilizados em adesivos, produtos de limpeza e películas protetoras.
	CHUMBO OU CRISTAL
	Altera a viscosidade com diminuição de temperatura;
O chumbo dá ao vidro mais refração, incrementando seu brilho.
	Adiciona-se chumbo aos vidros alcalinos.
	Usados na fabricação de funil de televisão(tubo) a cores.
	ALUMÍNIO-BOROSSILICATO
	São mais viscosos em altas temperaturas.
	Adiciona-se alumina na formulação de vidro silicato alcalino.
	Utilizados em tubos de combustão, fibras de reforço, vidros com alta resistência química e vitro-cerâmicos.
 
CONCLUSÃO 
Com a realização dos experimentos e auxílio da literatura foi possível entender propriedades do silício e dos seus compostos em especial o silicato e a sílica. O silicato aglutina em meio ácido e com o aumento da temperatura. A sílica gel devido a sua geometria tem uma superfície passível de modificações que reage com metais em solução, sendo um composto organofuncional. Foram observadas algumas reações e a partir das pesquisas foi possível compreender a utilização do silício no nosso cotidiano. O Silício é o principal componente do vidro, e foi a partir dele que tornou-se possível observar e entender tipos coloidais como o Sol e o Gel e ainda um processo de polimerização inorgânica, o processo sol-gel
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