Università degli Studi di Napoli S.I.C.S.I. SCUOLA INTERUNIVERSITARIA CAMPANA DI SPECIALIZZAZIONE ALL’ INSEGNAMENTO Corso : Chimica degli elementi nell’ambiente.

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1 Università degli Studi di Napoli S.I.C.S.I. SCUOLA INTERUNIVERSITARIA CAMPANA DI SPECIALIZZAZIONE ALL’ INSEGNAMENTO Corso : Chimica degli elementi nell’ambiente Docente: Prof.Andini

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3 Le lezioni sono rivolte ad una terza classe di un istituto tecnico ad indirizzo chimico. In particolare si colloca alla fine del corso di chimica. L’argomento verrà trattato in due lezioni di due ore ciascuna. Prerequisiti: Nozioni fondamentali della chimica generale. Reazioni chimiche Conoscere le caratteristiche del sistema periodico e le grandezze ad esso correlate. Conoscere le caratteristiche di alcuni elementi e in particolare del Carbonio. Obiettivi: Conoscere le caratteristiche della chimica del silicio Capacità di confrontare la chimica del silicio e quella del carbonio Conoscere i principali campi d’applicazione del silicio e dei suoi composti Impatto ambientale del silicio

4 TAVOLA PERIODICA

5 Nome, Simbolo Silicio, Si N°Atomico14 Serie chimica semimetallo Gruppo, Periodo (IVB), 3° Colore grigio scuro Peso atomico 28,086 Configurazione Elettronica 3s 2 3p 2 Caratteristiche

6 IV G R U P O Peso atomico Stato di ossidazione Numero atomico Densità Configurazione elettronica Simbolo

7 Il silicio elementare è polimorfo: si presenta come fine polvere marrone (silicio amorfo) o come solido nero a riflessi verdi di aspetto metallico (silicio cristallino). Quet’ultimo è un solido cristallino a struttura simile a quella del diamante e si può attenere in cristalli anche di notevoli dimensioni, duri e lucenti.

8 Non viene attaccato dall'acido nitrico, cloridrico o solforico, ma è solubile in acido fluoridrico; si scioglie anche nella soda (idrossido di sodio), formando silicato di sodio e idrogeno gassoso. Alle normali temperature il silicio non si altera per esposizione all'aria; alle alte temperature invece reagisce con l'ossigeno formando la silice, e con l'azoto e il cloro, formando rispettivamente nitruro di silicio Si 3 N 4 e tetracloruro di silicio SiCl 4.acido nitricocloridrico solforicoacido fluoridricosoda

9 Il termine Silicio dal latino silex-silicis, significa pietra dura, selce. Il silicio non esiste allo stato libero e fu isolato da Berzelius nel 1824. Costituisce il 25,7% del peso della crosta terrestre, della quale rappresenta l’elemento più abbondante dopo l’ossigeno. Si Si

10 Molto abbondante nella crosta terrestre, il silicio non si trova in natura allo stato elementare, ma solo come diossido o come silicato. Il diossido di silicio esiste in tre forme cristalline diverse: il quarzo, di cui sono note molte varietà (come corniola, crisoprasio, selce onice, e diaspro), la cristobalite e la tridimite.quarzocorniolaselceonicediasprocristobalite

11 Nella maggior parte degli organismi si trovano in generale solo tracce di questo elemento, abbastanza frequenti sono tuttavia i fenomeni di silicizzazione di tessuti vegetali Le diatomee estraggono la silice dall'acqua per costruire i muri protettivi delle loro cellule;diatomee Gli equiseti lo concentrano nel fusto della pianta usandolo per conferirgli robustezza e notevole resistenza alla masticazione, per scoraggiare gli erbivori.equiseti

12 E’ presente nella formazione di gusci o esoscheletri silicei come nei radiolari Si ritrova nelle foglie taglienti delle graminacee

13 IL VETRO può essere definito come solido amorfo, paragonabile ad un fluido rigido la cui viscosità uguale o maggiore a 1015 Poise e nel quale l’organizzazione spaziale delle unità strutturali è priva dell’ordine geometrico caratteristico dello stato cristallino Struttura cristallina Struttura vetrosa Struttura di un vetri Na 2 O – SiO 2

14 I siliconi sono composti flessibili contenenti legami silicio-ossigeno o silicio-carbonio; sono ampiamente usati in forma di gel per impianti artificiali del seno e per le lenti a contattosiliconiossigenocarboniogellenti a contatto

15 Il Silicio viene preparato commercialmente tramite riscaldamento di silice ad alta purezza, in una fornace elettrica usando elettrodi di carbonio. A temperature superiori a 1900°C, il carbonio riduce la silice in silicio secondo la seguente equazione chimica:  Il Silicio viene preparato commercialmente tramite riscaldamento di silice ad alta purezza, in una fornace elettrica usando elettrodi di carbonio. A temperature superiori a 1900°C, il carbonio riduce la silice in silicio secondo la seguente equazione chimica: SiO 2 + 2C → Si + 2CO Il silicio prodotto tramite questo processo viene chiamato silicio di grado metallurgico Preparazione

16  Il Silicio ad alto grado di purezza (usato nell’industria dei semiconduttori) viene preparato trasformando il silicio in tetracloruro di silicio, purificando quest’ultimo per distillazione e riducendo il tetracloruro con Mg o Zn: SiO 2 + 2C → Si + 2CO Si + 2Cl 2 → SiCl 4 SiCl 4 + 2Mg → Si + MgCl 2

17  Processo Siemens: barre di silicio ultrapuro sono esposte al triclorosilano a 1150°C; il gas di triclorosilano si decompone e deposita dell'altro silicio sulla barra, allargandola secondo la reazione chimica: 2 HSiCl 3 → Si + 2 HCl + SiCl 4 Il silicio prodotto da questo e da processi simili viene chiamato silicio policristallino. Il silicio policristallino ha un livello di impurità pari a 1 parte per miliardo o inferiore.

18 A un certo punto, la DuPont produsse silicio ultrapuro facendo reagire il tetracloruro di silicio con vapori di zinco ad alta purezza a 950°C, producendo silicio secondo la reazione:DuPontzinco SiCl 4 + 2 Zn → Si + 2 ZnCl 2 Comunque questa tecnica è afflitta da problemi pratici, (il cloruro di zinco, un sottoprodotto, si solidifica bloccando le linee) e venne abbandonata a favore del processo Siemens.cloruro di zinco

19 Data la sua abbondanza in natura e la possibilità di controllare le sue proprietà elettriche, il silicio trova importanti impieghi nell’industria elettronica per la realizzazione di transistor e circuiti integrati Nuova tecnologia

20 Il silicio è utile per l’elettronica in quanto è un semiconduttore semiconduttore cioè normalmente non conduce, cioè normalmente non conduce, ogni atomo di silicio è legato covalentemente ad altri quattro atomi, quindi due atomi vicini di un cristallo di silicio puro hanno in comune una coppia di elettroni Tuttavia con le oscillazioni dovute all’agitazione termica,alcuni elettroni riescono a raggiungere la quantità di energia sufficiente per superare la barriera di potenziale del livello energetico in cui si trovano e si staccano così dal nucleo diventando elettroni di conduzione.

21 Il Si è un semiconduttore estrinseco: introdurre nel silicio una piccola quantità di atomi appartenenti al III° o al V° gruppo (es. B, P), in modo da ottenere due strutture differenti, una con un numero di elettroni insufficiente (una struttura di tipo p), l'altra con un numero di elettroni in eccesso (detta di tipo n). Questo trattamento viene detto drogaggio. Struttura di “tipo p” Lacuna del boro Struttura di “tipo n” Eccesso di e - del fosforo Eccesso di e - del fosforo

22 Poiché il silicio è un importante elemento dei semiconduttori e di tutta l'industria elettronica, la regione di Silicon Valley in California, nota per le numerose aziende di informatica ed elettronica, prende il suo nome da questo elemento (Silicon in inglese). elettronicaSilicon ValleyCalifornia

23 Carbonio Silicio Non metallo 2s 2 2p 2 Ibridazione sp 3 Costituente dei composti organici Semimetallo 3s 2 3p 2 Ibridazione sp 3 Costituente del regno minerale Come il C il Si ha la possibilità di eccitare un elettrone dall’orbitale s a quello di tipo p per raggiungere valenza 4 : ( Ibridazione sp 3 )

24 Ibridazione sp 3 p__ __ __ s__ sp 3 __ __ __ __ stato fondamentale stato eccitatostato ibridazione sp3

25  Il Si, a differenza del C, non forma le lunghe catene tipiche della chimica organica. Infatti il legame silicio-silicio ha un’energia troppo bassa che non permette una grande stabilità. Per questo motivo gli atomi di silicio sulla Terra tendono a legarsi con l’ossigeno atmosferico, formando catene Si-O-Si-O-.... in cui ogni atomo di silicio si lega a 4 atomi di ossigeno dando i Silicati.

26 Effetti del silicio sulla salute Il silicio è un oligaelemento Il silicio è presente nella buccia dei frutti, dei cereali integrali, nel pane integrale, nell’aglio, nella cipolla, nello scalogno, nel cavolfiore, nella fragola, nei piselli freschi, nelle mele. Ha effetti positivi per le arterie, la pelle, i capelli. La sua carenza aumenta le lesioni ateromatose e coronariche. Provoca un ritardo nella crescita, atrofia di numerosi organi, in presenza di fratture una sua carenza ritarda la formazione dell’osso, disturbi della pelle, unghie, capelli, smagliature e perdita di elasticità dei tessuti, invecchiamento precoce della pelle.

27 Una seria malattia dei polmoni chiamata silicosi è molto frequente tra i minatori, i tagliatori di pietre e altri lavoratori che sono impegnati in lavori dove polvere di silicati viene inalata in grandi quantità. silicosi

28 Effetti del silicio sull'ambiente: Non sono stati riportati effetti negativi sull'ambiente.