SILÍCIO - HISTÓRIA, USOS E PROPRIEDADES QUÍMICAS

Prévia do material em texto

SILÍCIO
14
INTRODUÇÃO
2
• Segundo elemento mais abundante da crosta terrestre: 25,7% em massa;
• Raramente sozinho na natureza: alta reatividade com oxigênio;
• Muito utilizado na produção do cimento, cerâmica, argilas, tijolos, vidros e silicone (polímeros).
Si
14
HISTÓRICO
Classificado como elemento
Humphry Davy
Obtenção do elemento
 Berzelius
Identificação do Silício 
Antonie Lavoisier
Silício amorfo
Gay-Lussac e Louis Thémard
Primeiro uso do Silício como semicondutor
1787
1800
1811
1824
1906
3
SILÍCIO NA TABELA PERIÓDICA
4
Si
14
PROPRIEDADES
5
	Propriedades Gerais	
	Símbolo	Si
	Número Atômico	14
	Série	Metalóide
	Massa Molar	28,0855
	Configuração 
Eletrônica	[Ne] 3s2 3p2
	Aparência	 Azul grisáceo e brilho metálico
14
	Propriedades Químicas	
	Estado Físico 	Sólido (não magnético)
	Ponto de fusão	1420°C
	Ponto de ebulição	3280°C
Si
14
FORMAS CRISTALINAS E AMORFAS
6
Si
14
ISÓTOPOS
7
	ISÓTOPOS ESTÁVEIS			
	Elemento	Abundância	Massa	Usos
	28Si	92,23%	27,9769	Amplamente utilizado em espectroscopia de RMN.
	29Si	4,67%	28,9765	Sugerido para melhorar a condutividade térmica dos semicondutores.
	30Si	3,10%	29,9738	Utilizado para produzir o radioisótopo Si-31. O Si-30 também foi utilizado para estudar a auto-difusividade do silício e para o efeito isotópico da supercondutividade.
Si
14
SOLUBILIDADE
Rede de estrutura covalente difícil de romper.
Solubilidade não ocorre.
8
Si
14
LIGAÇÕES Π
												
9
Si
14
CATENAÇÃO
	Ligação	Energia de Ligação (kJ/mol)	Comprimento de Ligação (pm)	Tendência de Formar Cadeias
	C - C 	348	154	Grandes
	Si -- Si	222	226	Algumas
	Ge --- Ge	167	-	Pequenas
	Sn ---- Sn	155	-	Não Forma
10
Si
14
REATIVIDADE COM OXIGÊNIO E HALETOS
Orbitais 3d vazios + Orbitais 2p semipreenchidos
Ligação Π parcial
Mais Forte que a ligação C – O
(~466 kJ/mol x ~358 kJ/mol)
11
SEMICONDUTOR
Condutividade elétrica aumenta com o aumento da temperatura;
Bandas são formadas pela sobreposição de orbitais moleculares em um sólido;
Condução depende da separação energética das bandas;
12
Si
14
SEMICONDUTOR
Na banda de condução os elétrons podem se deslocalizar nos orbitais vazios e conduzir corrente
Energia necessária para levar os elétrons da banda de valência para banda de condução define a condutividade.
13
Si
14
OCORRÊNCIA
Si é extremamente abundante na forma de sílica (SiO2) e em grande número de silicatos (SiO44-)
95% da crosta terrestre constituída por minerais do grupo dos silicatos 
											
14
Si
14
OBTENÇÃO
MÉTODO 1: Redução Carbo-Térmica da Sílica
Processo: Redução de quartzito ou areia com coque altamente puro. A redução é realizada em um forno elétrico, com um excesso de SiO2 usado para impedir o acúmulo de carboneto de silício (SiC):
Pureza: Alta 96% – 99%
Temperatura: A partir de 1900 ºC
2 
15
Si
14
DIAGRAMA DE ELLIGHAM
16
Si
14
PURIFICAÇÃO
MÉTODO 1: Fusão por Zonas
Primeiro Método Industrial
 PUREZA: Grau Solar (99,9999%)
17
Si
14
PURIFICAÇÃO
MÉTODO 2: Processo Siemens
PROCESSO: As barras de silício de alta pureza são expostas ao triclorosilano, gás que se decompõem depositando silício adicional na barra.
PUREZA: Policristalino - Grau Solar (99,9999%)
TEMPERATURA: 1150 ºC
18
Si
14
PURIFICAÇÃO
Método Alternativo: Converter Si metalúrgico em SiCl4, purificar por destilação e reduzir com Mg
19
ULTRAPURIFICAÇÃO
MÉTODO DE CZOCHRALSKI: Crescimento de cultura de cristais.
PUREZA: MonoCristalino - Grau Eletrônico (99,9999999%)
20
Fusão do Silício
Introdução do cristal-semente
Inicio do crescimento do cristal
Cristal formando o lingote
Lingote pronto
Si
14
DIÓXIDO DE SILÍCIO
Principal óxido de silício
Abundante na forma de Areia e Quartzo
Também denominado sílica
21
Si
14
DIÓXIDO DE SÍLICIO
Existem 35 formas cristalinas de SiO2, sendo as principais:
Quartzo 		 	 Tridimita		 Cristobalita		 Líquido
		
22
Si
14
DIÓXIDO DE SÍLICIO
ESTRUTURA CRISTALINA
Por que o CO2 é um gás enquanto o SiO2 é sólido à temperatura ambiente?
O Si não pode formar duplas ligações e isso faz com que o SiO2 forme uma molécula tridimensional infinita
23
Si
14
SiO2 IMPURAS
24
Si
14
MATERIAIS A BASE DE SIO2
Sílica-gel- Forma hidratada do SiO2
Aerogel - SiO2 com grande número de poros
Vidros - Materiais não cristalinos descritos como líquidos super-resfriados
Si
14
25
SILICATOS
Os silicatos se baseiam em unidades de (SiO4)4-
As diferenças entre as estruturas internas destes sólidos levam a uma ampla variedade de materiais, desde pedras preciosas a fibras.
Principal constituinte das rochas.
Constituído de silício e oxigênio (SixOy), um ou mais metais e possivelmente hidrogênio.
26
Si
14
ESTRUTURA DOS SILICATOS
27
Si
14
EXEMPLOS DE SILICATOS
28
Silicato de Sódio:
Na4SiO4 (orto), Na2SiO3 (meta), (Na2SiO3)n (poli)
Vidro solúvel ou água de vidro
Correção de motores
Si
14
ALUMINOSILICATOS
O alumínio pode substituir o silício em uma rede de silicatos para formar um aluminossilicato.
Aumenta a carga negativa global (Al3+ / Si4-)
Necessário um cátion adicional.
Formação de redes de aluminossilicatos com diferentes íons incorporados dão variedade à classe.
29
Si
14
APLICAÇÕES DOS SILICATOS
Cimento;
Cerâmica: tijolo, azulejos e objetos cerâmicos de maneira geral;
Adesivos;
Vidros;
Pedras semi-preciosas – joalheria;
30
Si
14
CARBETO DE SILÍCIO
O carboneto de silício (SiC) tem uma estrutura cristalina semelhante à do diamante.
Fontes de carbono e sílica são misturadas e levadas a altas temperaturas (próximas a 2600-3000 °C)
SiO2(s) + 3C(s) → SiC(s) + 2 CO(g)
31
Si
14
ZEÓLITAS
“Peneiras Moleculares”
Silicatos com estrutura muito abertas, semelhante ao favo de mel.
Canais suficientes largos para permitir a troca de certos íons e moléculas.
Seletividade;
APLICAÇÕES: Sabão em Pó; Troca Iônica (purificação da água); Separação de Gases e catálise.
32
Si
14
SILICONES
Cadeias longas de –O - Si - O – Si – O - com as posições de ligação restante sendo ocupadas por grupos orgânicos. 
33
Si
14
SILICONES
Estado físico depende do tamanho da cadeia polimérica.
Possuem propriedades hidrofóbicas.
34
Si
14
APLICAÇÕES DO SILICONE
As aplicações desse material não dizem respeito somente à estética corporal, ele pode ser ainda empregado em:
Fabricação de impermeabilizantes de superfícies;
Graxa lubrificante;
Cera de polimento;
Adesivos;
Colas de silicone;
35
Si
14
HALETOS DE SILÍCIO
O silício forma compostos com flúor (SiF4), cloro (SiCl4) e bromo (SiBr4)
Todos estes compostos são muito instáveis.
São mais reativos comparados aos Haletos de Carbono (Orbitais 3d vazios).
36
Si
14
ORGANOSILÍCIO
Compostos contendo ligações Si – C
Comumente usados em conjunto com herbicidas e fungicidas.
Vários compostos de organossilício foram investigados como produtos farmacêuticos.
Podem formar grupos funcionais:
Silenóis:	R3SiCl + H2O → R3SiOH + HCl
37
Si
14
SILANOS
Hidretos saturados de silício
Cadeias normais e ramificadas com no máximo 8 átomos de Si
Fórmula Geral: SinH2n+2 
38
Si
14
SILANOS X ALCANOS
Silanos possuem Forças intermoleculares mais fortes: são menos voláteis em relação aos respectivos alcanos.
1) Eletronegatividade: C = 2.5 / Si = 1.8 / H = 2.1
Maior vulnerabilidade a ataques de nucleotídeos
2) Tamanho do Si o deixa mais vulnerável a ataques de reagentes.
3) Orbitais 3d de baixa energia aumentam reatividade.
39
Si
14
A VIDA BASEADA EM SILÍCIO
Diversos filmes e séries como StarTrek apresentam a vida alienígena baseada em Silício.
Semelhança química com o carbono (ns2 np2)
Problemas:
1) Metabolismo usando oxigênio seria inviável;
2) Pouca diversidade de compostos;
3) Instabilidade das cadeias.
40
Si
14
SILICOSE
 Doença pulmonar causada pela inalação de finas partículas de sílica.
A silicose comumente afeta os mineiros.
A silicose não tem cura, sendo que o tratamento tem como foco em administrar e aliviar os sintomas e complicações.
41
Si
14
SILÍCIO NA TECNOLOGIA
Silício é um semicondutor baratoe de fácil obtenção;
Amplamente utilizado no setor eletrônico e no painéis solares
42
Si
14
IMPACTOS AMBIENTAIS
Extração de areia podem prejudicar espécies locais;
Alguns compostos possuem tempo de degradação elevado;
43
Si
14
DÚVIDAS?
44
FONTES
https://arcestariufs.files.wordpress.com/2012/05/principais-reac3a7c3b5es-dos-elementos-do-bloco-p-elementos-do-bloco-14.pdf
https://pt.wikipedia.org/wiki/Teoria_de_bandas
https://en.wikipedia.org/wiki/Silicon
https://arcestariufs.files.wordpress.com/2012/05/principais-reac3a7c3b5es-dos-elementos-do-bloco-p-elementos-do-bloco-14.pdf
https://pt.wikipedia.org/wiki/Sil%C3%ADcio
https://pt.wikipedia.org/wiki/Processo_de_Czochralski
https://pt.wikipedia.org/wiki/Silano
https://chem.libretexts.org/Courses/University_of_Missouri/MU%3A__1330H_(Keller)/22%3A_Chemistry_of_the_Nonmetals/22.10%3A_The_Other_Group_14_Elements%3A_Si%2C_Ge%2C_Sn%2C_and_Pb
45
FONTES
http://www.treknews.net/2011/09/04/science-fiction-or-science-fact-silicon-based-alien-life/
https://chemistry.stackexchange.com/questions/54824/chemical-structure-of-sio2-vs-co2
https://www.chemguide.co.uk/inorganic/group4/chlorides.html
https://www.chemicalforums.com/index.php?topic=66833.0
https://repositorio.ufsc.br/bitstream/handle/123456789/188037/TCC_MARCELOCRISTIANOLUDKE_FINAL.pdf?sequence=1
http://www.quartzpage.de/gen_mod.html
46
 Siemens process FBR process Silane Granules Cooled reaction chamber Silicon seed rods Electrical contacts Trichlorosilane Silane