Silizioa (latinez: silicium) elementu kimiko bat da, Siikurra eta 14 atomo-zenbakia dituena. Taula periodikoan karbonoaren azpian eta germanioaren gainean. Solido kristalino gogorra eta hauskorra da, urdin-gris kolore metaliko eta distiratsua duena. Metaloidetetrabalentea da, eta ez da bere analogo kimikoa den karbonoa bezain erreaktiboa. Oxigenoarekiko duen afinitateagatik, ez zen 1823. urtera arte egoera puruan prestatu eta ezaugarritu. Bere urtze- eta irakite-puntuak, 1414 °C eta 3265 °C, hurrenez hurren, dira. Unibertsoko elementurik arruntenetan zortzigarren izanik, silizioa inoiz egoera puruan ager daiteke naturan, baina gehienetan silizio dioxido edo silikato formatan ageri da Unibertsoko hauts, planetoide eta planetetan zehar sakabanaturik. Lurrean, lurrazalaren %90 mineral silikatoz konposatuta dago, silizioa lurrazaleko elementurik ugarienetan bigarrena da (oxigenoa da lehena), eta lurrazalaren masaren % 25,7 osatzen du.
Silizioak hainbat erabilera industrial dauzka. Silizio elementala gailu erdieroale gehienen osagai nagusia da, batez ere zirkuitu integratu edo microchip deiturikoena. Izan ere, silizioa bere antzekoa den germanioa baino erdieroale hobea da tenperatura altuetan, bere oxidoa oso erraz sortzen da labeetan eta beste edozein material-konbinaziok baino interfase erdieroale/dielektriko hobea eratzen du.
Silize eta silikato forman, silizioa beira, zementu eta zeramika bezalako ekai erabilgarriak eratzeko erabiltzen da. Silikona ere silizioz, oxigenoz, karbonoz eta hidrogenoz eratutako substantzia plastiko sintetikoa da.
Silizioa funtsezko elementua da biologian. Animalietan kantitate ñimiñoetan da beharrezkoa, baina landareen metabolismoan garrantzitsuagoa da[1], bereziki zenbait belar-espezietan, eta azido silizikoa (silize-mota bat) diatomea mikroskopikoen maskor babeslearen oinarrizko osagaia da.
Historia
1787-an Antoine Lavoiser susmatu zuen silizea oinarrizko elementu baten oxidoa zela[2], baina silizioak oxigenoarekiko duen afinitatea dela-eta ezinezkoa egin zitzaion oxidoa erreduzitzea eta elementua isolatzea. 1808-an, isolatzen saiatu ostean, 1823-an Jöns Jacob Berzelius silizio amorfoa prestatu zuen Gay-Lussac -ek erabilitako antzeko metodoarekin baina produktua purifikatuz hauts marroia lortuz[3][4][5]. Silizioaren ohiko kristala Devillek lortu zuen 1854-an elektrolisiaren bidez, sodio kloruro eta aluminio kloruroaren nahaste batetik, %10-eko silizio zuena, ez-purua zen silizioaren alotropo bat lortuz[6]. Friedrich Wöhler hegazkorra den triklorosilanoa sintetizatu zuen 1857-ean, hegazkorra den lehenengo silizio hidruroa, eta 1858-an silanoa bera. Era berean, lehenengo konposatu organosilizikoa, tetraetilsilanoa,1863-an sintetizatu zuten Charles Friedel eta James Crafts.1920 hamarkadan, William Lawrence Bragg argitu zuen silikatoen konposizioa X-izpien bitarteko kristalografiari esker.
Kristal-forma elementalean, silizioak kolore grisa eta kristalaren tamainarekin handitzen den distira metalikoa dauka. Beiraren antzeko ezaugarriak ditu: gogorra eta oso hauskorra da eta txirbilak sortzeko joera dauka. Nahiz eta elementu oso inertea izan, halogenoekin erreakzionatzen du eta alkaliak disolbatzen ditu, baina azido gehienek (azido nitrikoaren eta azido hidrofluorikoaren zenbait konbinazio hipererreaktibok salbu) ez diote eragiten. Hala ere, lau balentzia-elektroi dauzkanez, karbonoak bezala, aukera asko dauzka beste elementu eta konposatu batzuekin lotzeko, egoera egokia bada.
Silizioa erdieroalea da, presio eta tenperatura estandarretan, eta azkenengo hau handitzean erresistibitatea murriztuz doa. Honen arrazoia, balentzia bandaren eta konduktibitate bandaren artean dagoen energia-jauzi txikiaren ondorioa da. Beraz, silizio purua giro-tenperaturan isolatzailea da. Dena den, 15.taldeko elementuez dopatzen badira elektroi bat soberan sartzen da, erraz, kitzikatu daitekeena konduktibitate bandan. Berriz, 13.taldeko elementuez dopatzen badira egituran hutsune elektroniko bat sartuko dugu balentzia bandatikelektroi kitzikatu batek harrapatu dezakeena. Silizio solidoak blenda egitura du. Honen ondorioz, urtze-puntu handia du 1414 °C-koa. Presio handiagotan beste kristal egiturak ezagutzen dira. Silizioaren irakite tenperatura 3265 °C-koa da.
Silizioa solido gogorra da, Mohs-en eskalaren arabera 7-an kokatuko zen, baina karbonoarekin elkartzen denean SiC konposatua 9.5 -eko gogortasuna izatera heldu daiteke.
Silizioa isotopo asko izan arren 28Si (%92,2), 29Si (%4,7) eta 30Si (%3,1) dira ugarienak[7]. Hauek izarretan sintetizatzen dira[8]. 20 erradioisotopo karakterizatu dira eta soilik, 32Si eta 31Si egonkorrak dira, besteen erdi-bizita 7 segundu baino txikiagoa da.
Silizioaren Kimika eta Bere Konposatuak
Silizio kristalak geldoak izan arren, tenperatura altuetan erreaktiboagoak bilakatzen dira. Silizioa, aluminioa bezala, pasibatu egiten da oxigenoarekin kontaktuan egotean, SiO2 mikrogeruza eratuz. Tenperatura altuetan, 1400 °C -tan atmosferako nitrogenoarekin erreakzionatuko du SiN eta Si3N4 espezieak lortuz. Silizioak, 600 °C-tan sulfurogaseosoarekin eta 1000 °C fosforogaseosoarekin erreakzionatzen du. Oxidozko geruzak ez du saihesten halogenoekin erreakzionatzea; fluorrak bortizki erasotzen du silizioa inguruko tenperaturan, kloroak berriz 300 °C-tan eta bromoak eta iodoak 500 °C-tan. Silizioak ez du erreakzionatzen diluitutako azido gehienekin. Erraztasunez disolbatzen da disoluzio alkalino eta berotan silikatoak eratuz. Tenperatura altuetan, silizioa alkil haluroekin errakzionatzen du kuprearen presentzian, azken hau katalizatzailea dena, konposatu organosilizikoak sintetizatuz silikonen aurrekaria direna. Urtutako silizioak , erreaktiboa bilakatzen da oso eta metal gehienak oxidatzen ditu, ondorioz, edukiontziak material erregogorrez eginda egon behar dira[9].
Koordinazio tetraedrikoa garrantzitsua da silizoaren kimikan, karbonoaren kimikan bezala. Dena den, 3p azpiorbitalak 2p orbitalak baino difusoagoak daude eta horrek 3s azpigeruzekin hibridatzeko arazoak dakar. Honen ondorioz, karbono eta silizioaren arteko diferentziak daude[10], elektronegatibotasuna bezala, non, karbonoarena altuagoa den. Beste aldetik, 3d orbitalen presentzia hiperbalentzia ahalbidentzen du, SiX5- eta SiX62- espeziak lortuz baina bakarrik konposatu ez-egonkor batzuk ezagutzen dira[11]. Hau azalduta, hauek dira silizioak eratu ahal dituen konposatuak:
Silano: Silanoen formula orokorra SinH2n+2 da. Silanoak erreduzitzaileak dira. Kateak zein zikloak era ditzakete. Silanoak eta disilanoak koloregabeko gasak dira eta astunagoak diren molekulak likido hegazkorrak. Monosilanoa egonkorra da giro tenperaturan. Besteak oso erreaktiboak dira eta su hartu edo eztanda egin dezakete airearekin kontaktuan. Silanoaren pirolisitik lortzen da ultrapurua den silizio elementua eta hidrogenoa. Silizioa duten zenbait konposatu silanoaren deribatuetatik lortu egiten dira. Silanoek ordezkatzaile organiko egokiekin eroankortasun elektriko oso altua lortu dezakete.
Haluroak: Silizioak eta silizo karburoak, lau haluro egonkorrekin sortzen ditu kolorge, erreaktibo eta hegazkorrak diren silizio tetrahaluroak. Silanoen antzera, halopolisilanoak ezagutzen dira, SinX2n+2 formula dutenak.
Azido Silizikoak: Ura gehitzean silizioari, Si-O-Si lotura Si-OH loturagatik aldatzen da. Kontzentrazio handitan silika-gela eta dispertsio koloidalak osatzen dituzte. Ezagutzen diren azido siliziko sinpleenak azido ortosilizikoa, Si(OH)4, eta meta silizikoa, OSi(OH)2 edo H2SiO3, dira[13].
Silikato Mineralak: Lurrazalaren %95-a silikatoz edo aluminiosilikatozko mineralez osatuta dago, oxigenoa, silizioa eta aluminioa hiru elementu ugarienak baitira (orden horretan)[14]. Hauek, egitura desberdin asko dituzte eta estekiometria aldagarria dute konposatuaren arabera. Unitate txikiena {SiO4} izango da, eta hauek egitura sinpleak edo kate luzeak osa ditzakete erpinetako oxigeno atomoa(k) konpartituz. Honen arabera, nesosilikatoak, oxigenorik konpartitzen ez dituztenak; sorosilikatoak, oxigeno bakarra; ziklosilikatoak, eraztunak osatzen dituztenak; inosilikatuak, bi oxigeno; filosilikatoak,hiru oxigeno eta tektosilikatoak, lau oxigenoak konpartitzen dituzten egiturak ditugu.
Beste konposatu ez-organikoak: Silizioak beste elementu askorekin konposatu desberdinak sortu dezake, propietate oso desberdinak dituztenak haien artean. Honen adibideak, silizio disulfuroa (SiS2) edo tetraetil silizioa(Si(OEt)4) izan daitezke.
Konposatu organosilizikoak: Silizioak karbonoarekin duen antzekotasuna kontuan hartuta, Si-C lotura ia C-C lotura bezain indartsua da eta horrek egiten du konposatu organosilizikoak termikoki zein kimikoki egonkorrak izatea. Trimetisilil taldea, Me3Si-, erabilia den taldea da. Lotura hau, Si-C, silizio tetrakloruroa Gringnard erreaktiboekin nahastean lortzen dira laborategietan.
Ekoizpena
%96-%99 purutasuna duen silizioa kuartzitatik edo harearenerredukziotik kokea erabiliz lortzen da. Gehiegizko SiO2 botatzen da silizio karburoen agerpena gelditzeko[15].
Erredukzioa burdin zatien eta kantitate txikiagotan sufre eta fosforoaren aurrean ferrosilikatoak eratzen ditu burdina eta altzairuaren industrian erabiliak[16]. Oso mehea den silizioa purutasun oso altua du eta transistoretan erabiltzen da.
Aplikazioak
Industria mailan, silizioaren konposatu desberdinak arlo ugaritan erabiltzen dira. Hauek ez dira purifikatzen eta Portland zementuan, zeramikan, beiraren ekoizpenean (silakatoak erabiltzen dira) edo kontaktuko lenteetan(silikona) bezalako produktu askotan beharrezkoak dira.
Lehen aipatutako ferrosilikatoak altzairuaren industrian erabiltzen da eta silizio aluminio nahastea (%12-ko silizioa duena) automobilgintzan erabiltzen da.
Oso purua den silizioa “nine-9” izenekoa (%99,9999999 purutasuna duena) erabiltzen da elektronikazko piezak fabrikatzeko[17].
Rol Biologikoa
Silikato eran egon arren silizioa, izaki bizidun gutxi batzuk baino ez dute modu zuzen batean erabiltzen. Silizioaren funtzio nagusia estrukturala da. Gizakiok beharrezkoa dugu azazkal, ile, hezur eta azalerako[18]. Beharrezko elementua kontsideratzen den arren oso zaila da demostratzea bere esentzialtasuna naturan duen ugaritasuna dela eta ezin dira bere gabeziak sortzen dituen sintomak errepikatu[19][20][21].
↑In his table of the elements, Lavoisier listed five "salifiable earths" (i.e., ores that could be made to react with acids to produce salts (salis = salt, in Latin): chaux (calcium oxide), magnésie (magnesia, magnesium oxide), baryte (barium sulfate), alumine (alumina, aluminium oxide), and silice (silica, silicon dioxide). About these "elements", Lavoisier speculates: "We are probably only acquainted as yet with a part of the metallic substances existing in nature, as all those which have a stronger affinity to oxygen than carbon possesses, are incapable, hitherto, of being reduced to a metallic state, and consequently, being only presented to our observation under the form of oxyds, are confounded with earths. It is extremely probable that barytes, which we have just now arranged with earths, is in this situation; for in many experiments it exhibits properties nearly approaching to those of metallic bodies. It is even possible that all the substances we call earths may be only metallic oxyds, irreducible by any hitherto known process." – from p. 218of: Lavoisier with Robert Kerr, trans., Elements of Chemistry, … , 4th ed. (Edinburgh, Scotland: William Creech, 1799). (The original passage appears in: Lavoisier, Traité Élémentaire de Chimie, (Paris, France: Cuchet, 1789), vol. 1, p. 174.)
↑-> Berzelius announced his discovery of silicon ("silicium") in: Berzelius, J. (presented: 1823; published: 1824) "Undersökning af flusspatssyran och dess märkvärdigaste föreningar" (Investigation of hydrofluoric acid and of its most noteworthy compounds), Kongliga Vetenskaps-Academiens Handlingar [Proceedings of the Royal Science Academy], 12 : 46–98. The isolation of silicon and its characterization are detailed in the section titled "Flussspatssyrad kisseljords sönderdelning med kalium," pp. 46–68.
-> The above article was reprinted in German in: J.J. Berzelius (1824) "II. Untersuchungen über Flussspathsäure und deren merkwürdigsten Verbindungen" (II. Investigations of hydrofluoric acid and its most noteworthy compounds), Annalen der Physik, 77: 169–230. The isolation of silicon is detailed in the section titled: "Zersetzung der flussspaths. Kieselerde durch Kalium" (Decomposition of silicate fluoride by potassium), pp. 204–210.
-> The above article was reprinted in French in: Berzelius (1824) "Décomposition du fluate de silice par le potassium" (Decomposition of silica fluoride by potassium), Annales de Chimie et de Physique, 27: 337–359.
-> Reprinted in English in: Berzelius (1825) "On the mode of obtaining silicium, and on the characters and properties of that substance," Philosophical Magazine, 65 (324): 254–267.
↑"Semi" SemiSource 2006: A supplement to Semiconductor International. December 2005. Reference Section: How to Make a Chip. Adapted from Design News. Reed Electronics Group.
