# Silicio

Il silicio è l'elemento chimico che ha numero atomico 14 e come simbolo Si. È il secondo elemento del gruppo 4 della tavola periodica degli elementi (3° periodo), l'omologo del carbonio, con il quale ha in comune la tetravalenza. A parte questo, il silicio assomiglia chimicamente più all'elemento successivo del gruppo, il germanio, piuttosto che al carbonio che lo precede: l'estesa chimica del carbonio, specialmente la chimica organica, non ha praticamente riscontro nel silicio e l'estesa chimica inorganica del silicio non è ravvisabile per il carbonio.
A differenza del carbonio, ma come il germanio, il silicio è un metalloide. Allo stato solido ha la struttura cubica del diamante ed è un semiconduttore, mentre il carbonio nell'analoga struttura, è meglio descrivibile come un isolante. Sia con il carbonio che con il germanio, il silicio forma composti cristallini 1:1 (SiC, carburo di silicio e SiGe, germaniuro di silicio), entrambi semiconduttori IV-IV. A tal proposito, il silicio elementare costituisce attualmente la base dell'industria elettronica: diodi, transistor, circuiti integrati, microprocessori, etc., e in piccola parte anche il germanio, sebbene più che altro in passato.
Il silicio è il secondo elemento per abbondanza nella crosta terrestre dopo l'ossigeno, componendone il 27,72% del peso. Sulla crosta terrestre il silicio si trova quasi sempre combinato con l'ossigeno nella sabbia, nel vetro, nel quarzo, nel granito, nel feldspato, nell'argilla, nelle ceramiche e nel cemento, dove è presente principalmente in forma di silice (SiO$_2$), silicati e alluminosilicati (anioni contenenti silicio, alluminio e ossigeno). In forma elementare, sebbene drogato con adatte impurezze di altri elementi, Il silicio è presente nei pannelli fotovoltaici e nei chip per microprocessori. Il silicio è il componente distintivo dei siliconi, che sonopolimeri sintetici di organosilossani e sono largamente diffusi.

## Storia ed etimologia

Il silicio (dal latino silex, silicis che significa selce, divenuto silicium nel latino scientifico) venne identificato per la prima volta da Antoine Lavoisier nel 1787 senza però poterlo isolare, e venne successivamente scambiato per un composto da Humphry Davy nel 1808. Nel 1811 Gay Lussac e Thenard probabilmente prepararono del silicio amorfo impuro attraverso il trattamento del tetrafluoruro di silicio con potassio fuso nel 1811. Nel 1824 Berzelius preparò del silicio amorfo usando all'incirca lo stesso metodo di Gay Lussac. Berzelius inoltre purificò il prodotto attraverso successivi lavaggi. A lui viene riconosciuta la scoperta dell'elemento.

## Caratteristiche

Nella sua forma cristallina, il silicio ha un colore grigio e una lucentezza metallica, ma il suo colore può variare. Anche se è un elemento relativamente inerte nei confronti della maggior parte degli acidi (eccetto l'acido fluoridrico), reagisce con gli alogeni e gli alcali, anche se diluiti.
Il silicio trasmette più del 95% di tutte le lunghezze d'onda della luce infrarossa.
Il silicio è alla base di tutti i silicati, minerali formati da anioni contenenti silicio e ossigeno, uniti a cationi metallici. I silicati sono contenuti nei magmi e, per la struttura tetraedrica della silice, il magma diventa più viscoso, e capace di trattenere maggiori quantità di gas. In base al contenuto di silice si determina l'acidità di un magma e delle rocce che ne derivano. Se è poco presente il magma si dirà basico.

## Disponibilità

Il silicio è il principale componente degli aeroliti, che sono una classe di meteoroidi nonché della tectite, che è una forma naturale di vetro.
Calcolando in base al peso, il silicio compone il 27,7% della crosta terrestre e dopo l'ossigeno è il secondo elemento più abbondante. Il silicio elementare non si trova in natura, appare in genere come ossido (ametista, agata, quarzo, rocce cristalline, selce, diaspro, opale) e silicati (granito, amianto, feldspato, argilla, orneblenda, mica e altri).

## Isotopi

Dell'elemento silicio si conoscono almeno ventitré isotopi, i cui numeri di massa vanno da A = 22 ad A = 44. Tra questi, gli isotopi del silicio presenti in natura sono i tre consecutivi che seguono, con le loro abbondanze relative in parentesi: $^{28}$Si (92,23%), $^{29}$Si (4,67%), $^{30}$Si (3,10%). Tutti e tre sono isotopi stabili.

### Isotopi stabili

Il primo di questi, il $^{28}$Si (spin 0), ha i protoni e i neutroni in rapporto 1:1 ed è l'isotopo di gran lunga più abbondante del silicio. Il suo nucleo si forma preponderantemente nel processo di fusione dell'ossigeno all'interno di stelle massive e in supernovae di tipo Ia, insieme a quantità parecchio minori degli altri due isotopi $^{29}$Si e $^{30}$Si, dato che il $^{28}$Si si forma anche attraverso il processo alfa (7 particelle α). Nel collasso e successiva esplosione di supernovae di tipo II tale processo è poi seguíto proprio da quello della fusione del silicio, che rappresenta lo stadio finale sella nucleosintesi stellare.
Il $^{29}$Si (spin 1/2) è l'unico nuclide del silicio ad avere uno spin nucleare, rendendo possibile l'applicazione su di esso della risonanza magnetica nucleare per i composti di silicio; il valore di 1/2 comporta assenza di momento di quadrupolo nucleare e questo permette di ottenere spettri ad alta risoluzione. La recettività del nuclide (un indice di sensibilità della tecnica RMN su quel nuclide) è ben accettabile, essendo più che doppia rispetto a quella del nuclide $^{13}$C.
Il $^{30}$Si (spin 0) trova applicazioni nella produzione del radionuclide Si-31, in studi sulla diffusività degli atomi di silicio e in microelettronica. In particolare si esamina la possibilità di irradiare con neutroni (attivazione neutronica) dei chip di silicio in modo da trasformare il Si-30 in Si-31; questo, decadendo a P-31 (stabile), permette un drogaggio controllato di tipo N del chip stesso.

### Isotopi radioattivi

Tolti i tre isotopi stabili, restano venti isotopi radioattivi del silicio. Di questi, i più longevi ed anche i più importanti sono due: il $^{31}$Si e il $^{32}$Si (vide infra). Gli altri hanno emivite inferiori a 7 secondi.
Il $^{26}$Si (spin 0) decade per emissione di positrone (decadimento β$^+$) a Al-26, con emivita di 2,234 secondi, rilasciando 4,04 MeV. Quest'ultimo poi decade a sua volta (ancora β$^+$) a Mg-26, che è l'ultimo isotopo stabile del magnesio.
Il $^{27}$Si (spin 5/2) decade per emissione di positrone (β$^+$) a Al-27, che è l'unico isotopo stabile dell'alluminio, con emivita di 4,16 secondi, rilasciando 3,79 MeV.
Il $^{31}$Si (spin 3/2) decade per emissione di elettrone (decadimento β$^−$) a P-31, che è l'unico isotopo stabile del fosforo, con emivita di 2,622 ore (2 h 37,32 min), rilasciando 1,492 MeV.
Il $^{32}$Si (spin 0) decade per emissione di elettrone (decadimento β$^−$) a P-32, con emivita di 153 anni, rilasciando 224,3 keV. Quest'ultimo poi decade a sua volta (ancora β$^−$) a S-32, il primo degli isotopi stabili dello zolfo.
Il $^{33}$Si (spin 3/2), analogamente al $^{32}$Si, decade β$^−$ a P-33, con emivita di 6,11 secondi, e questo poi decade a sua volta β$^−$ a S-33, stabile.

## Composti

Il silicio allo stato di ossidazione +2 (Si$^{II}$) forma composti poco stabili, tra cui uno dei più conosciuti è il monossido SiO, un solido vetroso che tende a disproporzionare a Si e SiO$_2$.
La tetravalenza del silicio è quella di gran lunga la più comune e che fornisce i suoi composti più stabili. Esempi di composti di Si$^{IV}$ non molecolari sono il biossido di silicio (SiO$_2$) allo stato cristallino nel quarzo e allo stato vetroso nella silice amorfa, l'acido ortosilicico (H$_4$SiO$_4$) e acidi polisilicici che si formano dall'idratazione della silice, i silicati da essi derivati. Poi, i materiali ceramici semiconduttori, come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di silicio (Si$_3$N$_4$). Inoltre, composti molecolari: gli idruri come il silano (SiH$_4$) e alcuni silani, analoghi agli alcani, ma solo fino a catene molto brevi; gli alogenuri di silicio come il tetracloruro di silicio (SiCl$_4$), liquido, e il tetrafluoruro di silicio (SiF$_4$), gassoso. Poi ancora, i materiali polimerici come i siliconi.
Il silicio è inoltre in grado di formare composti in cui risalta la sua natura non metallica, i siliciuri, con Si a stati di ossidazione negativi, come il siliciuro di magnesio, che è un semiconduttore di natura covalente polare a causa dell'elettropositività del magnesio, e quello di sodio (NaSi), di natura più ionica.

## Ruolo biologico

Il silicio nei suoi composti inorganici come la silice è largamente diffuso nei viventi; può essere presente nei tessuti in forme differenti. Il ruolo principale noto è rappresentato dalla formazione di strutture di protezione e sostegno basate su composti inorganici come acido silicico e silice (biossido di silicio), in microorganismi, spugne, piante.
La silice è molto importante per la vita animale e vegetale. Le diatomee estraggono la silice dall'acqua per costruire i muri protettivi delle loro cellule; gli equiseti lo concentrano nel fusto della pianta usandolo per conferirgli robustezza e notevole resistenza alla masticazione, per scoraggiare gli erbivori.
Diatomee e radiolari, ad esempio, utilizzano principalmente silice, come base strutturale dell'impalcature cellulare, le spugne utilizzano la silice per spicole e altre strutture di sostegno, l'equiseto presenta diversi granuli di silice nell'epidermide esterna che lo rendono leggermente abrasivo (e indigesto ad alcuni erbivori), l'ortica presenta la punta dei peli urticanti silicizzata. Nei metazoi composti del silicio sono stati ritrovati in concentrazioni maggiori nei tessuti connettivi e di sostegno (ossa, tunica esterna collagena delle arterie, cartilagini) e nelle regioni extracellulari cerebrali. L'organismo umano ne contiene in totale una quantità stimata sui 250 milligrammi. La presenza del silicio non si identifica con una funzione biochimica nota e potrebbe essere di natura accidentale (accumulo nei tessuti con maggiore affinità per il composto); gli effetti clinici da carenza negli esseri umani non sono noti, mentre un eccesso di silicio può causare emolisi dei globuli rossi e causare alterazioni cellulari come conseguenza diretta. La farmacopea sta esaminando eventuali utilizzi di composti organici del silicio per lo sviluppo di farmaci
Sintomi da carenza non sono noti nei mammiferi, se non quelli indotti sperimentalmente, essendo il silicio pressoché ubiquitario (secondo elemento presente per abbondanza sulla crosta terrestre dopo l'ossigeno). Esistono vaste divulgazioni che incentiverebbero l'assunzione dei cosiddetti integratori a base di silicio organico (spesso preparati erboristici dove il silicio è invece presente sotto forma di silice inorganica da equiseto o ortica, da acidi silicici o da alchilsilanoli, questi ultimi composti propriamente organici) ipotizzando ruoli nella sintesi della idrossiprolina, coinvolta nella catena polimerica del collagene. L'attività dell'enzima a questa sintesi deputato, procollagene-prolina diossigenasi, è regolato invece dalla presenza di acido 2-chetoglutarico, ascorbato (cofattore nella riduzione), e ferro (Fe$^{3+}$ ridotto a Fe$^{2+}$), e non da composti del silicio. Il silicio è comunque assorbito dall'organismo tramite l'ubiquitario ione inorganico ortosilicico.
Il silicio è stato riconosciuto come un fattore di sviluppo negli animali giovani e nei bambini. A livello cutaneo, maggiormente presente negli strati connettivi profondi, è dotato di proprietà idratanti e acceleranti della cicatrizzazione delle ferite. A livello osseo, è provato che supplementi alimentari di silicio organico (proveniente soprattutto da equiseto, avena ed ortica) possono accelerare la saldatura delle fratture, mentre a livello sanguigno esistono studi fornenti prove che i silicati organici possano indurre il differenziamento dei granulociti neutrofili e stimolare la fagocitosi. Studi preliminari indicherebbero come i silicati abbiano una certa influenza sul sistema endocrino generale umano. I meccanismi di come ciò possa eventualmente verificarsi sono però sconosciuti.
L'erboristeria, comunque, non raccomanda una fitoterapia a base di piante troppo remineralizzanti (e in particolare ricche di silicio), quando sono presenti lesioni ossee di tipo degenerativo (ad esempio artrosi). Approvvigionarsi silicati organici tramite la dieta non è tuttavia difficile. Il silicio è abbondante nell'acqua potabile, nelle cipolle, nei cavolfiori, nei fagioli, nei piselli, nelle mele e nelle fragole. Tra le piante comuni, ricche di silicati organici sono la polmonaria, l'equiseto, la piantaggine, l'arnica, l'ortica e la gramigna.

## Produzione

Il silicio viene preparato commercialmente tramite riscaldamento di silice ad elevato grado di purezza, in una fornace elettrica usando elettrodi di carbonio. A temperature superiori a 1900 °C, il carbonio riduce la silice in silicio secondo l'equazione chimica
    ${\ce {SiO2 + 2C -> Si + 2CO}}$
Il silicio liquido si raccoglie in fondo alla fornace, e viene quindi prelevato e raffreddato. Il silicio prodotto tramite questo processo viene chiamato silicio di grado metallurgico (MGS) ed è puro al 98%. Un eccesso di carbonio può portare alla formazione del carburo di silicio
    ${\ce {SiO2 + C -> SiO + CO}}$
    ${\ce {SiO + 2C -> SiC + CO}}$
Comunque, se la concentrazione di SiO$_2$ è mantenuta elevata, il carburo di silicio può essere eliminato
    ${\ce {2SiO2 + SiC -> 3Si + 2CO}}$
Per raggiungere gradi di purezza superiori necessari ad esempio per realizzare dispositivi elettronici a semiconduttore, è necessario praticare un'ulteriore purificazione ad esempio con il metodo Siemens. Nel 2016 il silicio di grado metallurgico costava circa 1,74 €/kg.

## Purificazione

L'uso del silicio nei semiconduttori richiede una purezza più elevata di quella fornita dal silicio di grado metallurgico. Storicamente sono stati usati un numero di metodi diversi per produrre silicio ad alta purezza.

### Metodi fisici

Le prime tecniche di purificazione del silicio erano basate sul fatto che quando il silicio viene fuso e risolidificato, l'ultima parte di silicio che solidifica contiene la maggior parte delle impurità. Il primissimo sistema di purificazione, descritto nel 1919 e usato su scala limitata per la fabbricazione di componenti dei radar durante la seconda guerra mondiale, richiedeva la polverizzazione del silicio di grado metallurgico e la sua parziale dissoluzione in acido. Quando veniva polverizzato, il silicio si spezzava in modo che le zone più deboli e ricche di impurità restassero all'esterno del risultante grano di silicio. Come risultato, il silicio ricco di impurità era il primo a disciogliersi quando trattato con l'acido, lasciando un prodotto più puro.
Nella fusione a zona, il primo metodo di purificazione del silicio ad essere utilizzato su scala industriale, sbarre di silicio di grado metallurgico venivano riscaldate partendo da una delle sue estremità, fino a quando questa iniziava a fondersi. Il riscaldatore quindi veniva lentamente spostato lungo la barra mantenendo una piccola porzione fusa mentre il silicio si raffreddava e risolidificava dietro di essa. Poiché la maggior parte delle impurità tendeva a rimanere nella parte fusa piuttosto che risolidificarsi, alla fine del processo queste si erano spostate nell'ultima parte della barra ad essere fusa. Questa estremità veniva quindi tagliata e gettata, ripetendo il processo se una purezza più elevata era necessaria.

### Metodi chimici

Oggigiorno il silicio viene purificato convertendolo in un composto che può essere purificato più facilmente del silicio stesso, e quindi convertito di nuovo in silicio puro. Il triclorosilano è il composto di silicio più comunemente usato in questo processo, anche se a volte si utilizzano anche il tetracloruro di silicio e il silano. Questi composti, liquidi o gassosi, vengono purificati per distillazione frazionata fino ad ottenere una miscela di composti di solo silicio. Dopodiché questi gas vengono soffiati sopra a del silicio ad alta temperatura e si decompongono, depositando silicio policristallino ad alta purezza.
Nel processo Siemens, sbarre 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
    ${\ce {2 HSiCl3 -> Si + 2 HCl + SiCl4}}$
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.
Per un certo periodo, 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 formula
    ${\ce {SiCl4 + 2 Zn -> Si + 2 ZnCl2}}$
Questa tecnica era afflitta da problemi pratici (come il cloruro di zinco, un sottoprodotto, che si solidificava bloccando le linee) e venne abbandonata a favore del processo Siemens.

## Cristallizzazione

Il processo Czochralski viene usato per creare cristalli singoli di silicio di alta purezza.

## Applicazioni

Il silicio è un semiconduttore intrinseco (o puro) e può essere drogato con arsenico, fosforo, gallio o boro per renderlo più conduttivo e utilizzarlo in transistor, pannelli solari o celle solari, e altre apparecchiature a semiconduttori, che sono utilizzate in elettronica e altre applicazioni ad alta tecnologia. Esistono due tipi di drogaggio del silicio che permettono di dare un eccesso di elettroni alla banda di conduzione (silicio di tipo n) o lacune di elettroni alla banda di valenza (silicio di tipo p).
Il silicio è inoltre un importante costituente di alcuni tipi di acciaio; il suo limite di concentrazione è del 5%, in quanto oltre si ha un notevole abbassamento della resilienza a causa del suo potenziale di accrescimento della grana cristallina. Rende inoltre possibile far separare grafite negli acciai anche già a partire da concentrazioni di carbonio maggiori di 0,50%. Si segnala la sua presenza (1-2%) negli acciai per molle, dove accresce il limite elastico, avvicinandolo a quello di rottura, e favorisce la temprabilità.
* Transistor al silicio
* Pannelli fotovoltaici in silicio monocristallino
* Struttura al microscopio dell'acciaio al silicio

### Applicazioni dei composti del silicio

* Il diossido di silicio (o silice) in forma di sabbia e argilla è un importante ingrediente del cemento e dei mattoni.
* La silice della sabbia è un componente principale del vetro.
* Silice e silicati sono la base del materiale refrattario usato nella coibentazione per le produzioni ad alte temperature, e i silicati sono impiegati nella fabbricazione di smalti e terraglie.
* Il carburo di silicio, chiamato anche carborundum, è uno dei più importanti abrasivi.
* I siliconi sono composti flessibili contenenti legami silicio-ossigeno o silicio-carbonio; sono ampiamente usati in forma di gel per gomme, collanti, protesi mammarie, lenti a contatto e altro.
* Il silicio amorfo idrogenato si è mostrato promettente per la produzione di celle solari e apparati elettronici a basso costo.
* Il silicio policristallino si utilizza nell'elettronica di consumo e nel fotovoltaico, in particolare il silicio policristallino a bassa temperatura si usa per gli schermi TFT LCD e per ottenere display per smartphone, smartwatch e altri dispositivi che abbiano una frequenza d'aggiornamento variabile (LTPO).

## Precauzioni

Una grave 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.

## La Silicon Valley

Poiché il silicio è un importante elemento semiconduttore, il principale 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).

## Silicio e silicone nelle traduzioni dall'inglese

Spesso i traduttori traducono la parola inglese silicon (che significa appunto silicio) con "silicone", a causa della somiglianza dei due vocaboli. Mentre la traduzione di silicio è silicon (/ˈsɪlɪkən/), quella di silicone è silicone (/ˈsɪlɪkəʊn/).
Capita quindi spesso di trovare diciture come "chip di silicone" che derivano da questa errata traduzione. Nell'episodio Il mostro dell'oscurità del telefilm Star Trek si parla diffusamente di una specie vivente a base silicone al posto dell'originaria forma di vita a base silicio. Nel film Alien del 1979, l'androide Ash dice a Ripley che la creatura "ha la strana abitudine di disfarsi delle sue cellule e rimpiazzarle con silicone polarizzato". Nel film Wargames - Giochi di guerra del 1983 con Matthew Broderick, diretto da John Badham, in una conversazione un generale statunitense dice, secondo l'errata traduzione, "diodo al silicone" per definire un computer. Nel film 007 - Bersaglio mobile un microchip al silicio viene identificato come microchip al silicone rivelando una scarsa attenzione della traduzione dall'inglese. Anche in un episodio dei Simpson, il dottor Hibbert chiede a Homer se gli alieni che egli ha visto siano "a base di carbone oppure di silicone"; in questo caso l'errore è doppio: anche "carbon" viene tradotto erroneamente (avrebbe dovuto essere "carbonio", dato che carbone in inglese è "coal").
Silicon è tradotto in "silicone" anche nel romanzo Artemis - La prima città sulla luna di Andy Weir del 2017.

## Il silicio nella fantascienza

Un tema che ricorre nel filone dell'arte di fantascienza è l'ipotesi dell'esistenza di forme di vita basate sul silicio invece che sul carbonio. Probabilmente il tema è da attribuirsi alla vicinanza dei due elementi nella tavola periodica e a discussioni filosofiche che si interrogano sul fatto che i computer e i robot (i cui microprocessori sono costruiti in silicio) possano essere pensati come delle particolari "forme di vita".
L'espediente della creatura basata sul silicio è spesso utilizzato per proporre il tema dell'alieno come "qualcosa che non può essere compreso", qualcosa di alternativo e incompatibile, talmente diverso da essere addirittura basato su elementi chimici differenti. Le serie manga Blame! e la ottava parte de Le bizzarre avventure di JoJo (JoJolion) ad esempio sviluppano notevolmente il tema facendo degli esseri a base di silicio alcuni tra gli antagonisti principali con capacità fisiche estremamente più sviluppate di quelle di un comune essere umano, forse ad ipotizzare la superiorità dell'elemento, rispetto al carbonio, nel generare forme di vita resistenti.