Si · Elemento 14 · Metalloide
L'elemento che ha trasformato la sabbia nel substrato della civiltà: ogni processore che abbiate mai usato è una lastra di silicio ultrapuro.
Struttura
Non è un diagramma di punti su gusci — è un campione Monte Carlo dell'effettiva densità di probabilità |ψ|² per ogni sottoguscio occupato. Trascinate per ruotare. Il blu e il violetto indicano i segni opposti della funzione d'onda, che rendono possibile la formazione dei legami.
Valori misurati
Ogni barra mostra dove si colloca silicio tra tutti i 118 elementi per quella proprietà.
Fonti: masse atomiche standard IUPAC 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. I valori contrassegnati con ~ sono previsti anziché misurati.
Dimensioni, in scala
Raggio 111 pm — cioè 0,111 nm, quindi ne servirebbero circa 4,5 milioni affiancati per coprire un millimetro.
Intervallo termico
Silicio è liquido in un intervallo di 1851 K, da 1687 K a 3538 K.
La storia
Il silicio è l'elemento che ha costruito l'era dell'informazione e costituisce gran parte del terreno sotto i nostri piedi. Dopo l'ossigeno, è l'elemento più abbondante nella crosta terrestre e forma la struttura portante di rocce, sabbia e vetro. Ma la vera rivoluzione del silicio è arrivata quando gli scienziati hanno imparato a purificarlo fino al 99.9999999%, creando i chip semiconduttori che alimentano ogni computer, smartphone e dispositivo digitale. La Silicon Valley ha preso il nome da questo elemento, che può passare dalla conduzione all'isolamento dell'elettricità miliardi di volte al secondo. Dalle antiche finestre di vetro ai moderni pannelli solari, dai chip dei computer alle protesi mammarie, il silicio dà forma al nostro mondo in innumerevoli modi. Ogni granello di sabbia su ogni spiaggia è composto principalmente da diossido di silicio, così i castelli di sabbia sono fatti dello stesso elemento che fa funzionare il vostro smartphone.
La storia della scoperta del silicio abbraccia millenni: dagli antichi vetrai che utilizzavano inconsapevolmente composti del silicio ai chimici del XIX secolo che isolarono l'elemento puro, rendendo infine possibile l'era digitale che definisce la civiltà moderna.
Gli esseri umani hanno utilizzato composti del silicio per oltre 9.000 anni senza saperlo. Le prove archeologiche mostrano che le antiche civiltà padroneggiavano la tecnologia dei silicati molto prima di comprendere la teoria atomica.
7000 a.C.: Prime ceramiche realizzate con argille ricche di silicio in Cina e Medio Oriente
3500 a.C.: Produzione mesopotamica del vetro utilizzando sabbia silicea e potassa
1500 a.C.: Gli artigiani egizi crearono elaborati recipienti di vetro utilizzando diossido di silicio
500 a.C.: Il calcestruzzo romano incorporava cenere vulcanica (pozzolana) ricca di silice amorfa
I Romani crearono inconsapevolmente alcuni dei calcestruzzi più resistenti della storia utilizzando cenere vulcanica ricca di silicio proveniente dal Vesuvio. Il Pantheon di Roma, costruito nel 126 d.C., è ancora oggi in piedi anche grazie alla sua cupola in calcestruzzo arricchito con silicio.
Lo studio scientifico del silicio ebbe inizio durante l'Illuminismo, quando i chimici iniziarono a studiare sistematicamente minerali e composti.
Il chimico francese Antoine-Laurent de Lavoisier fu il primo a sospettare che la silice (SiO₂) contenesse un elemento sconosciuto. Nella sua rivoluzionaria opera del 1789, "Trattato elementare di chimica", Lavoisier incluse la silice tra i composti che riteneva contenessero elementi non ancora scoperti, gettando le basi per i futuri tentativi di isolamento.
Numerosi chimici in tutta Europa gareggiarono per isolare il silicio puro, dando origine a rivendicazioni contrastanti e a controversie scientifiche durate oltre un decennio.
Il chimico britannico Sir Humphry Davy (1778-1829) tentò per primo di isolare il silicio nel 1808 utilizzando la batteria elettrica da lui appena inventata. Davy provò a elettrolizzare la silice, ma riuscì soltanto a produrre una polvere scura e impura. Sebbene senza successo, coniò il nome "silicon" dal latino "silex" (selce), più il suffisso "-on" (come in carbonio e boro).
I chimici francesi Gay-Lussac (1778-1850) e Thénard (1777-1857) tentarono di isolare il silicio riscaldando potassio con tetrafluoruro di silicio (SiF₄). Produssero una polvere marrone che credevano fosse silicio, ma analisi successive rivelarono che conteneva quantità significative di composti del silicio anziché l'elemento puro.
Il chimico svedese Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) realizzò il primo isolamento confermato del silicio puro il 15 maggio 1824. Il suo approccio sistematico e la sua meticolosa documentazione lo consacrarono come il vero scopritore del silicio.
Berzelius riscaldò il tetrafluoruro di silicio (SiF₄) con potassio metallico in un crogiolo di ferro:
SiF₄ + 4K → Si + 4KF
La sua innovazione consistette nel lavare il prodotto con acqua per rimuovere il fluoruro di potassio, poi con acido cloridrico diluito per sciogliere l'eventuale potassio non reagito, lasciando il silicio puro. Berzelius descrisse il suo prodotto come "una polvere marrone dotata di lucentezza metallica".
Citazione storica: "Ottenni una massa brunastra che, esaminata al microscopio, sembrava costituita da particelle metalliche. Questa sostanza è silicio allo stato metallico."
Il silicio rimase una curiosità di laboratorio fino all'emergere delle applicazioni industriali alla fine del XIX secolo.
Il chimico francese Henri Sainte-Claire Deville (1818-1881) migliorò la produzione del silicio riducendo la silice con polvere di alluminio ad alte temperature. Questo metodo produceva silicio su scala maggiore, rendendo possibili le prime applicazioni commerciali.
Edward Goodrich Acheson (1856-1931) sviluppò il processo in forno elettrico per produrre carburo di silicio (carborundum) e successivamente silicio puro. La sua azienda, The Carborundum Company, divenne il primo grande produttore di silicio, fornendo abrasivi e in seguito materiali semiconduttori.
La trasformazione del silicio da novità di laboratorio a materiale fondamentale per la civiltà ebbe inizio durante la Seconda guerra mondiale con lo sviluppo della tecnologia radar.
1940: Russell Ohl, presso i Bell Labs, scoprì l'effetto fotovoltaico nel silicio
1947: Bardeen, Brattain e Shockley inventarono il primo transistor (basato sul germanio)
1954: I Bell Labs crearono la prima cella solare pratica in silicio (efficienza del 6%)
1958: Jack Kilby inventò il circuito integrato utilizzando il germanio; Robert Noyce lo migliorò con il silicio
1961: Iniziò la produzione dei primi circuiti integrati commerciali in silicio
1971: Intel introdusse il microprocessore 4004, il primo computer su un chip
Oggi il silicio rende possibili le comunicazioni globali, l'intelligenza artificiale, le energie rinnovabili e l'esplorazione spaziale. Dalla minuscola polvere marrone di Berzelius nel 1824 ai processori con miliardi di transistor, il viaggio del silicio rappresenta una delle scoperte più trasformative della chimica.
L'eredità di Berzelius: Il chimico svedese che isolò il silicio non avrebbe mai potuto immaginare che la sua polvere metallica marrone sarebbe diventata il fondamento della più grande rivoluzione tecnologica della civiltà umana. Ogni smartphone, computer e pannello solare affonda le proprie origini in quel giorno fatidico del 1824, quando Berzelius tenne per la prima volta del silicio puro tra le mani.
Applicazioni
Le proprietà uniche del silicio come semiconduttore hanno rivoluzionato la civiltà umana, rendendo possibile l'era digitale e la tecnologia moderna. Dagli smartphone alle navicelle spaziali, i dispositivi basati sul silicio alimentano il nostro mondo interconnesso.
Il silicio domina la produzione di semiconduttori e costituisce oltre il 95% di tutti i chip per computer. La struttura cristallina e le proprietà elettriche controllabili dell'elemento lo rendono ideale per creare transistor, diodi e circuiti integrati.
Wafer di silicio: lingotti di silicio ultrapuro (purezza del 99.9999999%) vengono tagliati in wafer di 200-300mm di diametro e 0.775mm di spessore. Gli ultimi processori di Intel utilizzano una tecnologia di processo a 3nm, che consente di inserire oltre 100 miliardi di transistor su un singolo chip.
Processo di drogaggio: il silicio puro viene "drogato" con quantità minime di fosforo (tipo n) o boro (tipo p) per creare proprietà semiconduttrici. Questo processo prevede l'impiantazione ionica a energie di 1-200 keV, controllando con precisione la conduttività elettrica.
Fotolitografia: i wafer di silicio vengono sottoposti a fotolitografia utilizzando luce ultravioletta estrema (EUV) con una lunghezza d'onda di 13.5nm. Le macchine EUV di ASML, dal costo di $200 milioni ciascuna, consentono di realizzare con precisione i motivi necessari per i processori moderni.
Le celle fotovoltaiche al silicio convertono direttamente la luce solare in elettricità attraverso l'effetto fotovoltaico. I moderni pannelli solari al silicio raggiungono un'efficienza del 22-26% nelle applicazioni commerciali.
I composti del silicio costituiscono la struttura portante dell'edilizia moderna attraverso vetro, calcestruzzo e ceramiche. I silicati costituiscono il 90% della crosta terrestre e sono materiali da costruzione essenziali.
I veicoli moderni contengono oltre 1.000 semiconduttori basati sul silicio che controllano motori, sistemi di sicurezza e sistemi di infotainment. I veicoli elettrici utilizzano l'elettronica di potenza al carburo di silicio (SiC) per una maggiore efficienza.
MOSFET al SiC: la Tesla Model 3 utilizza inverter al carburo di silicio funzionanti a 650V, migliorando l'efficienza energetica del 5% e riducendo il tempo di ricarica. Il SiC commuta a 10 kHz rispetto ai 2 kHz del silicio, consentendo componenti più piccoli e leggeri.
Applicazioni dei sensori: i MEMS al silicio (sistemi microelettromeccanici) creano accelerometri, giroscopi e sensori di pressione per l'attivazione degli airbag, il controllo della stabilità e il monitoraggio della pressione degli pneumatici.
La tecnologia del silicio consente la navigazione GPS, le comunicazioni satellitari e l'esplorazione spaziale. I chip al silicio resistenti alle radiazioni sopravvivono alle condizioni ostili dello spazio.
La biocompatibilità del silicio consente la realizzazione di impianti medici, apparecchiature diagnostiche e sistemi di somministrazione dei farmaci. Le proprietà inerti del silicio lo rendono ideale per l'impianto a lungo termine.
La tecnologia al silicio ci circonda in innumerevoli forme, spesso invisibili ma sempre essenziali. Dalle sveglie del mattino all'intrattenimento serale, il silicio rende possibile la vita moderna.
Transistor nel processore di un singolo iPhone 13
Dispositivi connessi in tutto il mondo entro il 2025
Livello di purezza richiesto per il silicio dei semiconduttori
Valore del mercato globale dei semiconduttori (2022)
Lo smartphone medio contiene una potenza di calcolo superiore a quella dei computer che guidarono Apollo 11 fino alla Luna. Lo stesso telefono ha oltre 1 miliardo di transistor: se ogni transistor fosse una persona, potrebbero popolare la Cina lasciando ancora spazio.
Da dove proviene
282000 mg/kg della crosta terrestre · più abbondante del 99% degli elementi
Il silicio è il secondo elemento più abbondante nella crosta terrestre, con il 27,7% in peso, superato solo dall'ossigeno. Questa abbondanza rende il silicio il principale elemento costitutivo della geologia del nostro pianeta e il fondamento di tutta la tecnologia basata sul silicio.
In natura il silicio non si presenta mai in forma metallica pura a causa della sua elevata reattività con l'ossigeno. Forma invece innumerevoli minerali e composti che costruiscono letteralmente la struttura del nostro pianeta.
Il minerale di silicio più comune, costituisce il 12% della crosta terrestre. Si trova in:
Località notevoli: miniere di quarzo brasiliane, giacimenti di cristalli dell'Arkansas, "diamanti" di Herkimer (NY)
Il gruppo di minerali più abbondante nella crosta terrestre (50-60%), tra cui:
Formazione: Cristallizzazione ad alta temperatura nelle rocce ignee
Prodotti dell'alterazione di rocce ricche di feldspati:
Importanza economica: Ceramica, patinatura della carta, fanghi di perforazione
Minerali silicatici scuri nelle rocce mafiche:
Presenza: Basalto, gabbro, rocce vulcaniche
Il viaggio cosmico del silicio ebbe inizio nei nuclei delle stelle massicce durante i processi di combustione dell'ossigeno e combustione del silicio. Quando le stelle con una massa almeno 8 volte superiore a quella del nostro Sole giungono alla fine della loro vita, creano silicio attraverso la fusione nucleare.
Combustione dell'ossigeno (1.5-2 miliardi K): ¹⁶O + ¹⁶O → ²⁸Si + ⁴He
Combustione del silicio (3+ miliardi K): ²⁸Si + ⁴He → ³²S + γ
Durante un'esplosione di supernova, questi nuclei stellari ricchi di silicio vengono dispersi in tutta la galassia, finendo per diventare parte di nuovi sistemi stellari come il nostro. Il silicio del vostro smartphone è stato letteralmente forgiato nel cuore di una stella morente miliardi di anni fa.
Il silicio ha svolto un ruolo cruciale nella formazione planetaria attraverso:
4.6 miliardi di anni fa: La condensazione della nebulosa solare formò granelli di polvere ricchi di silicio
4.5 miliardi di anni fa: Accrezione di planetesimi silicatici
4.4 miliardi di anni fa: La differenziazione tra nucleo e mantello della Terra concentrò il silicio nel mantello
4.0 miliardi di anni fa: Cristallizzazione della prima crosta continentale (granito ricco di silicio)
3.8 miliardi di anni fa: Formazione di cratoni stabili con struttura di silicio e alluminio
Il silicio è presente naturalmente nell'acqua sotto forma di acido silicico disciolto (H₄SiO₄), tipicamente a concentrazioni di 1-30 mg/L. L'acqua oceanica contiene circa 3 mg/L di silicio disciolto, essenziale per la crescita delle diatomee.
Legame con la Silicon Valley: Il famoso polo tecnologico ha preso il nome dai semiconduttori di silicio sviluppati lì, anche se, ironicamente, oggi la maggior parte del silicio proviene dall'Asia, non dalla California.
Manipolazione
Il Silicio nella sua forma pura e molti suoi composti presentano rischi minimi per la salute in condizioni normali. Tuttavia, alcuni composti del Silicio e processi industriali richiedono particolare attenzione alla sicurezza, soprattutto per quanto riguarda l'esposizione alla silice cristallina.
OSHA PEL: 0.05 mg/m³ (silice cristallina respirabile, TWA di 8 ore)
Rischio principale: Silicosi - malattia polmonare progressiva e incurabile causata dall'inalazione di polvere di silice cristallina
Attività ad alto rischio: Sabbiatura, estrazione mineraria, attività di cava, taglio del calcestruzzo, produzione di ceramiche
Sintomi: Fiato corto, tosse persistente, stanchezza, dolore toracico, insufficienza respiratoria (nei casi avanzati)
Progressione: Silicosi semplice (15-20 anni) → Fibrosi massiva progressiva → Morte
Classificazione IARC: Cancerogeno del gruppo 1 (silice cristallina proveniente da fonti professionali)
Tipi di tumore: Tumore polmonare, potenzialmente malattie renali e autoimmuni
Fattori di rischio: Durata e intensità dell'esposizione, dimensione delle particelle, reattività superficiale
Prevenzione: Misure di controllo tecnico, protezione delle vie respiratorie, sorveglianza sanitaria
Contatto con gli occhi: La polvere di Silicio può causare irritazione meccanica e abrasioni corneali
Contatto con la pelle: Generalmente non irritante, ma le polveri abrasive possono causare tagli o irritazione meccanica
Ingestione: Grandi quantità possono causare irritazione gastrointestinale, ma non tossicità sistemica
Manipolazione dei wafer di Silicio: I bordi affilati possono causare lacerazioni; utilizzate strumenti di manipolazione adeguati e guanti resistenti al taglio
Esposizione a sostanze chimiche: La lavorazione del Silicio prevede l'uso di acido fluoridrico e richiede protocolli di sicurezza specializzati
Operazioni ad alta temperatura: La fusione del Silicio (1414°C) richiede protezione termica e procedure di emergenza
Azione: Sciacquate immediatamente con acqua pulita per 15 minuti. Rimuovete le lenti a contatto se facilmente estraibili. Non strofinate gli occhi.
Assistenza medica: Rivolgetevi immediatamente a un medico se l'irritazione persiste o se le particelle sono penetrate nell'occhio.
Azione immediata: Portate immediatamente la persona all'aria aperta. Allontanatela dalla fonte di esposizione alla polvere.
Risposta medica: In caso di difficoltà respiratorie, somministrate ossigeno e trasportate la persona in una struttura medica.
Documentazione: Registrate i dettagli dell'esposizione per la valutazione medica e l'indennizzo dei lavoratori.
Esposizione lieve: Lavate con acqua e sapone. Rimuovete gli indumenti contaminati.
Lacerazioni: Arrestate il sanguinamento, pulite la ferita e applicate una medicazione sterile. I frammenti affilati di Silicio possono richiedere la rimozione da parte di personale medico.
Azione: Sciacquate la bocca con acqua. Non provocate il vomito, salvo indicazione del personale medico.
Grandi quantità: Rivolgetevi a un medico se sono state ingerite quantità significative o se si sviluppano sintomi.
• Il Silicio presente nei dispositivi elettronici di consumo (telefoni, computer) non comporta rischi per la salute durante il normale utilizzo
• Le pentole in Silicio e il silicone per uso alimentare sono sicuri a contatto con gli alimenti
• I pannelli solari contengono Silicio incapsulato che non presenta rischi di esposizione
• I prodotti in vetro (diossido di Silicio) sono sicuri per l'uso quotidiano
Risposte rapide
Silicio (simbolo Si) è l'elemento 14 nella tavola periodica, appartenente a Metalloide nel periodo 3, gruppo 14. L'elemento che ha trasformato la sabbia nel substrato della civiltà: ogni processore che abbiate mai usato è una lastra di silicio ultrapuro. A temperatura ambiente è un solido.
[Ne] 3s² 3p², con 3 gusci occupati e la distribuzione 2, 8, 4. Il suo guscio esterno contiene 4 elettroni, e questo determina il suo comportamento nei legami.Silicio fonde a 1687 K (1413.9 °C) ed entra in ebollizione a 3538 K (3264.9 °C).
La massa atomica standard di Silicio è 28.085 u. Si tratta di una media ponderata dei suoi isotopi presenti in natura, per questo raramente è un numero intero.
Silicio ha una densità di 2.33 g/cm³. L'acqua ha una densità di 1.0 g/cm³, quindi un blocco di Silicio è circa 2.3× più pesante.
Silicio ha un'elettronegatività di Pauling pari a 1.9. La scala va da 0.70 (francio, il meno incline ad attirare elettroni) a 3.98 (fluoro, il più incline). I valori in questa fascia intermedia tendono a formare legami covalenti anziché legami fortemente ionici.
Silicio è stato scoperto nel 1824 da Jons Jacob Berzelius. Prende il nome da dal latino silex, "selce".
Silicio costituisce informazioni 28.2% della crosta terrestre: è uno degli elementi più abbondanti che esistano.