SILICIO, GERMANIO Y GALIO

Elaborado por: Edgar Nolberto Talledo Larraín

Estructura Cristalina, Propiedades y Aplicaciones

SÓLIDOS CRISTALINOS

SILICIO

Estructura cristalina Cúbica centrada en las carasEl silicio cristaliza con el mismo patrón que el diamante, en una estructura que Ashcroft y Mermin llaman celosías primitivas, "dos cubos interpenetrados de cara centrada". Las líneas entre los átomos de silicio en la ilustración de la red, indican los enlaces con los vecinos más próximos. El lado del cubo de silicio es 0,543 nm. El germanio tiene la misma estructura del diamante, con una dimensión de celda de 0,566nm.

Nº CAS 7440-21-3

Nº EINECS 231-130-8

Calor especifico 700 j/(k.kg)

Conductividad eléctrica 4.35.10-4 S/m

Conductividad térmica 148 W/(K. m)

Velocidad del sonido 8433 m/s a 293,15 k (20ºC)

SILICIO

El silicio es un elemento químico metaloide, número atómico 14 y situado en el grupo 14 de la tabla periódica de los elementos formando parte de la familia de los carbonoideos de símbolo Si. Es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre (27,7 % en peso) después del oxígeno. Se presenta en forma amorfa y cristalizada; el primero es un polvo parduzco, más activo que la variante cristalina, que se presenta en octaedros de color azul grisáceo y brillo metálico.

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PROPIEDADES

Policristal de Silicio

Olivino

PROPIEDADES

PROPIEDADES ATÓMICAS

Radio medio 120pm

Electronegatividad 1,9 (Pauling)

Radio atómico111pm (Radio de Bohr)

Radio covalente 111pm

Radio de van der Waals

210pm

Estado(s) de oxidación

4

Óxido Anfótero

PROPIEDADES FÍSICAS

Estado ordinarioSólido (no magnético)

Densidad 2330 kg/m3

Punto de fusión 1687 k (1414ºC)

Punto de ebullición 3173 K (2900ºC)

Entalpía de vaporización

384,22 KJ/mol

Entalpía de fusión 50,55 kJ/mol

Presión de vapor 4,77 Pa a 1683K

Sus propiedades son intermedias entre las del carbono y el germanio. En forma cristalina es muy duro y poco soluble y presenta un brillo metálico y color grisáceo. Aunque es un elemento relativamente inerte y resiste la acción de la mayoría de los ácidos, reacciona con los halógenos y álcalis diluidos. El silicio transmite más del 95 % de las longitudes de onda de la radiación infrarroja.

Se prepara en forma de polvo amarillo pardo o de cristales negros-grisáceos. Se obtiene calentando sílice, o dióxido de silicio (SiO2), con un agente reductor, como carbono o magnesio, en un horno eléctrico. El silicio cristalino tiene una dureza de 7, suficiente para rayar el vidrio, de dureza de 5 a 7. El silicio tiene un punto de fusión de 1.411 °C, un punto de ebullición de 2.355 °C y una densidad relativa de 2,33(g/ml). Su masa atómica es 28,086 u (unidad de masa atómica).

Se disuelve en ácido sulfúrico formando el gas tetrafluoruro de silicio, SiF4 (ver flúor), y es atacado por los ácidos nítrico, clorhídrico y sulfúrico, aunque el dióxido de silicio formado inhibe la reacción. También se disuelve en hidróxido de sodio, formando silicato de sodio y gas hidrógeno. A temperaturas ordinarias el silicio no es atacado por el aire, pero a temperaturas elevadas reacciona con el oxígeno formando una capa de sílice que impide que continúe la reacción. A altas temperaturas reacciona también con nitrógeno y cloro formando nitruro de silicio y cloruro de silicio, respectivamente.

El silicio constituye un 28 % de la corteza terrestre. No existe en estado libre, sino que se encuentra en forma de dióxido de silicio y de silicatos complejos. Los minerales que contienen silicio constituyen cerca del 40 % de todos los minerales comunes, incluyendo más del 90 % de los minerales que forman rocas volcánicas. El mineral cuarzo, sus variedades (cornalina, crisoprasa, ónice, pedernal y jaspe) y los minerales cristobalita y tridimita son las formas cristalinas del silicio existentes en la naturaleza. El dióxido de silicio es el componente principal de la arena. Los silicatos (en concreto los de aluminio, calcio y magnesio) son los componentes principales de las arcillas, el suelo y las rocas, en forma de feldespatos, anfíboles, piroxenos, micas y zeolitas, y de piedras semipreciosas como el olivino, granate, zircón, topacio y turmalina.

APLICACIONES

Se utiliza en aleaciones, en la preparación de las siliconas, en la industria de la cerámica técnica y, debido a que es un material semiconductor muy abundante, tiene un interés especial en la industria electrónica y microelectrónica como material básico para la creación de obleas o chips que se pueden implantar en transistores, pilas solares y una gran variedad de circuitos electrónicos. El silicio es un elemento vital en numerosas industrias. El dióxido de silicio (arena y arcilla) es un importante constituyente del hormigón y los ladrillos, y se emplea en la producción de cemento portland. Por sus propiedades semiconductoras se usa en la fabricación de transistores, células solares y todo tipo de dispositivos semiconductores; por esta razón se conoce como el Valle del Silicio a la región de California en la que concentran numerosas empresas del sector de la electrónica y la informática. También se están estudiando las posibles aplicaciones del siliceno, que es una forma alotrópica del silicio que forma una red bidimensional similar al grafeno. Otros importantes usos del silicio son:

Como material refractario, se usa en cerámicas, vidriados y esmaltados. Como elemento fertilizante en forma de mineral primario rico en silicio, para la agricultura. Como elemento de aleación en fundiciones. Fabricación de vidrio para ventanas y aislantes. El carburo de silicio es uno de los abrasivos más importantes. Se usa en láseres para obtener una luz con una longitud de onda de 456 nm. La silicona se usa en medicina en implantes de seno y lentes de contacto.

SÓLIDOS CRISTALINOS

GERMANIO

Estructura cristalina Cúbica centrada en las caras

Nº CAS 7440-56-4

Nº EINECS 231-164-3

Calor especifico 320 J/(k.kg)

Conductividad eléctrica 1,45 S/m

Conductividad térmica 59,9 W/(K. m)

Velocidad del sonido 5400 m/s a 293,15 k (20ºC)

GERMANIO

El germanio es un elemento químico con número atómico 32, y símbolo Ge perteneciente al período 4 de la tabla periódica de los elementos.

PROPIEDADES

PROPIEDADES ATÓMICAS

Radio medio 125pm

Electronegatividad 2,02 (Pauling)

Radio atómico125pm (Radio de Bohr)

Radio covalente 122pm

Radio de van der Waals

Sin datos pm

Estado(s) de oxidación

4,3,2,1,0,-1,-2,-3,-4.

Óxido Anfótero

PROPIEDADES FÍSICAS

Estado ordinario Sólido

Densidad 5323 kg/m3

Punto de fusión 1211,4 k (938ºC)

Punto de ebullición 3093 K (2820ºC)

Entalpía de vaporización

330,9 KJ/mol

Entalpía de fusión 36,94 kJ/mol

Presión de vapor0,0000746 Pa a 1210 K

PROPIEDADES

Las propiedades del germanio (del latín Germania, Alemania) fueron predichas en 1871 por Mendeleyev en función de su posición en la tabla periódica, elemento al que llamó eka-silicio.

El alemán Clemens Winkler demostró en 1886 la existencia de este elemento, descubrimiento que sirvió para confirmar la validez de la tabla periódica, habida cuenta con las similitudes entre las propiedades predichas y las observadas:

Propiedad Ekasilicio Germanio(Predichas, 1871) (Observadas, 1886)

Masa atómica 72 72,59

Densidad (g/cm3) 5,5 5.35

Calor específico (kJ/kg.K)

0,31 0,32

Punto de fusión (ºC)

alto 960

Fórmula del óxido RO2 GeO2

Fórmula del cloruro RCI4 GeCl4

Densidad del óxido (g/cm3)

4,7 4,7

Punto de ebullición del cloruro (ºC)

100 86

Color gris Gris

APLICACIONES

Las aplicaciones del germanio se ven limitadas por su elevado costo y en muchos casos se investiga su sustitución por materiales más económicos.

Fibra óptica. Electrónica: radares y amplificadores de guitarras eléctricas usados por músicos

nostálgicos del sonido de la primera época del rock and roll; aleaciones SiGe en circuitos integrados de alta velocidad. También se utilizan compuestos sandwich Si/Ge para aumentar la movilidad de los electrones en el silicio (streched silicon).

Óptica de infrarrojos: Espectroscopios, sistemas de visión nocturna y otros equipos. Lentes, con alto índice de refracción, de ángulo ancho y para microscopios. En joyería se usa la aleación Au con 12% de germanio. Como elemento endurecedor del aluminio, magnesio y estaño. Quimioterapia. El tetracloruro de germanio es un ácido de Lewis y se usa como catalizador en la

síntesis de polímeros (PET).

SÓLIDOS CRISTALINOS

GALIO

Estructura cristalina Ortorrómbica

Nº CAS 7440-55-3

Nº EINECS 231-163-8

Calor especifico 370 J/(k.kg)

Conductividad eléctrica 6,78 10 6 S/m

Conductividad térmica 40,6 W/(K. m)

Velocidad del sonido 2740 m/s a 293,15 k (20ºC)

GALIO

El galio es un elemento químico de la tabla periódica de número atómico 31 y símbolo Ga.

El galio es un metal blando, grisáceo en estado líquido y plateado brillante al solidificar, sólido deleznable a bajas temperaturas que funde a temperaturas cercanas a la del ambiente (como cesio, mercurio y rubidio) e incluso cuando se sostiene en la mano por su bajo punto de fusión (28,56 °C). El rango de temperatura en el que permanece líquido es uno de los más altos de los metales (2174 °C separan sus puntos de fusión y ebullición) y la presión de vapor es baja incluso a altas temperaturas. El metal se expande un 3,1% al solidificar y flota en el líquido al igual que el hielo en el agua.

PROPIEDADES

PROPIEDADES ATÓMICAS

Radio medio 130pm

Electronegatividad 1,81 (Pauling)

Radio atómico136pm (Radio de Bohr)

Radio covalente 126pm

Radio de van der Waals

187 pm

Estado(s) de oxidación

3

Óxido Anfótero

PROPIEDADES FÍSICAS

Estado ordinario Sólido

Densidad 5904 kg/m3

Punto de fusión 302,91 k (30ºC)

Punto de ebullición 2477 K (2204ºC)

Entalpía de vaporización

258,7 KJ/mol

Entalpía de fusión 5,59 kJ/mol

Presión de vapor9,31 X 10 -36 Pa a 302,9K