Titanio


Introducción

El titanio es un elemento químico, de símbolo Ti y número atómico 22. Se trata de un metal de transición de color gris plata. Comparado con el acero, metal con el que compite en aplicaciones técnicas, es mucho más ligero (4,5/7,8). Tiene alta resistencia a la corrosión y gran resistencia mecánica, pero es mucho más costoso que el acero, lo cual limita su uso industrial.
Es un metal abundante en la naturaleza; se considera que es el cuarto metal estructural más abundante en la superficie terrestre y el noveno en la gama de metales industriales. No se encuentra en estado puro sino en forma de óxidos, en la escoria de ciertos minerales de hierro y en las cenizas de animales y plantas. Su utilización se ha generalizado con el desarrollo de la tecnología aeroespacial, donde es capaz de soportar las condiciones extremas de frío y calor que se dan en el espacio y en la industria química, por ser resistente al ataque de muchos ácidos; asimismo, este metal tiene propiedades biocompatibles, dado que los tejidos del organismo toleran su presencia, por lo que es factible la fabricacion de muchas prótesis e implantes de este metal.
Posee propiedades mecánicas parecidas al acero, tanto puro como en las aleaciones que forma, por tanto compite con el acero en muchas aplicaciones técnicas, especialmente con el acero inoxidable.
El titanio fue declarado material estratégico por parte de Estados Unidos durante muchos años. Puede formar aleaciones con otros elementos, tales como hierro, aluminio, vanadio, molibdeno y otros, para producir componentes muy resistentes que son utilizados por la industria aeroespacial, aeronáutica, militar, petroquímica, agroindustrial, automovilística y médica.

Historia

El titanio (llamado así por los Titanes, hijos de Urano y Gea en la mitología griega) fue descubierto en Inglaterra por William Gregor, en 1791, cuando estudiaba un metal de color gris-plata que había encontrado. Poco después, en 1795, el químico austríaco Martín Kalprotz, descubridor también del uranio, le dio el nombre de titanio.
Matthew A. Hunter preparó por primera vez titanio metálico puro (con una pureza del 99.9%) calentando tetracloruro de titanio (TiCl4) con sodio a 700-800 °C en un reactor de acero.
El titanio como metal no se usó fuera del laboratorio hasta que en 1946 William Justin Kroll desarrolló un método para poder producirlo comercialmente, mediante la reducción del TiCl4 con magnesio, y este método, llamado Método de Kroll, es el utilizado aún hoy en día (2008). En este proceso el metal se mantiene constantemente en una atmósfera de gas inerte, como argón o helio, que inhibe la reacción con cualquier otro elemento.
Durante los años 50 y 60 la Unión Soviética promovió el empleo de titanio en usos militares y submarinos (Clase Alfa y Clase Miguel) como parte de sus programas militares relacionados con la guerra fría. En los EE. UU., el Departamento de Defensa (DOD) comprendió la importancia estratégica del metal y apoyó los esfuerzos para su comercialización. A lo largo del período de la guerra fría, el gobierno estadounidense consideró al titanio como un material estratégico, y las reservas de esponja de titanio fueron mantenidas por el Centro de Reservas Nacional de Defensa, que desapareció en 2005. Hoy el mayor productor mundial es el consorcio ruso VSMPO-AVISMA, que representa aproximadamente el 29% de la cuota mundial de mercado.
En 2006, la Agencia de Defensa estadounidense concedió 5,7 millones de dólares a un consorcio de dos empresas para desarrollar un nuevo proceso para fabricar polvo de metal de titanio. Bajo calor y presión, se puede usar el polvo para crear artículos fuertes, de peso ligero en las superficies de revestimiento de armaduras o componentes para el espacio aéreo, el transporte e industrias de tratamiento químico.

Características Físicas

• Es un metal de transición
• su Densidad es de 4507 kg/m3.
• Tiene un punto de fusión de 1675ºC (1941 K).
• Es de color plateado grisáceo
• Paramagnético. No se imanta gracias a su estructura electónica
• Muy resistente a la corrosión y oxidación.
• Poca conductividad. No es muy buen conductor del calor ni de la electricidad.

Características Mecánicas

• Maleable, permite la producción de láminas muy delgadas.
• Dúctil, permite la fabricación de alambre delgado.
• Muy resistente a la tracción.
• Gran tenacidad.
• Permite la fabricación de piezas por fundición y moldeo.
• Material soldable.

Características Químicas

• Se encuentra en forma de óxido, en la escoria de ciertos minerales y en cenizas de animales y plantas
• Presenta dimorfismo, a temperatura ambiente tiene estructura hexagonal compacta (hcp) llamada fase alfa. Por encima de 882 ºC presenta estructura física centrada en el cuerpo (bcc) se conoce como fase beta.
• La resistencia a la corrosión que presenta es debida al fenómeno de pasivación que sufre (se forma un óxido que lo recubre). Es resistente a temperatura ambiente al ácido sulfúrico (H2SO4) diluido y al ácido clorhídrico (HCl) diluido, así como a otros ácidos orgánicos, también es resistente a las bases, incluso en caliente. Sin embargo se puede disolver en ácidos en caliente. Asimismo, se disuelve bien en ácido fluorhídrico (HF), o con fluoruros en ácidos. A temperaturas elevadas puede reaccionar fácilmente con el nitrógeno, el oxígeno, el hidrógeno, el boro y otros no metales.
• Sus iones no tienen existencia a pH básicos.

Isótopos

Se encuentran 5 isótopos estables en la naturaleza: 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti y 50Ti, siendo el 48Ti el más abundante (73,8%). Se han caracterizado 11 radioisótopos, siendo los más estables el 44Ti, con un periodo de semidesintegración de 60.0 años, 45Ti (184.8 minutos), 51Ti (5.76 minutos) y el 52Ti (1,7 minutos). Para el resto, sus periodos de semidesintegración son de menos de 33 segundos, y la mayoría de menos de medio segundo.
El peso atómico de los isótopos va desde 39,99 uma (40Ti) hasta 57,966 uma (58Ti). El primer modo de decaimiento antes del isótopo más estable, el 48Ti, es la captura electrónica, mientras que después de éste es la desintegración beta. Los isótopos del elemento 21 (escandio) son los principales productos de decaimiento antes del 48Ti, mientras que después son los isótopos del elemento 23 (vanadio).

Aplicaciones

Aplicaciones biomédicas: titanio quirúrgico
El titanio es un metal biocompatible, porque los tejidos del organismo toleran su presencia sin que se hayan observado reacciones alérgicas del sistema inmunitario. Esta propiedad de biocompatibilidad del titanio unido a sus cualidades mecánicas de dureza, ligereza y resistencia han hecho posible una gran cantidad de aplicaciones de gran utilidad para aplicaciones médicas, como prótesis de cadera y rodilla, tornillos óseos, placas antitrauma e implantes dentales, componentes para la fabricación de válvulas cardíacas y marcapasos, gafas, herramental quirúrgico tales como bisturís, tijeras, etc., y también la gran cantidad de piezas llamadas piercing.

Otros usos

• Industria energética: El titanio es muy utilizado en la construcción de sistemas de intercambio térmico en las centrales térmicas eléctricas (y también en las centrales nucleares), debido principalmente a sus características de resistencia mecánica (lo que hace que los haces tubulares que constituyen esos intercambiadores sean muy resistentes a las vibraciones y que los espesores de los tubos puedan ser menores, facilitando el intercambio de calor) y químicas (el titanio, a semejanza del cobre, genera una capa inoxidable sobre su superficie, lo que lo hace mucho más resistente a la corrosión).
• Industria de procesos químicos: Determinadas aleaciones de titanio se utilizan para fabricar componentes de las industrias de proceso tales como bombas, depósitos, reactores químicos y columnas de fraccionamiento en centrales que utilizan agua de mar como refrigerante. También se emplea en las unidades de desulfuración de gases que permiten reducir las emisiones de dióxido de azufre de las centrales térmicas de carbón. Estas aplicaciones son posibles gracias a la gran resistencia del titanio ante los agentes corrosivos tales como el agua salada, las soluciones de clorito e hipoclorito, el ácido nítrico, los ácidos crómicos, los cloruros metálicos, los sulfuros o los ácidos orgánicos.
• Industria automovilística: Un sector nuevo se ha incorporado a la fabricación de componentes de titanio, donde las empresas automovilísticas están incorporando componentes de titanio en los vehículos que fabrican, con el fin de aligerar el peso de los mismos, así por ejemplo ya existen muelles y bielas de titanio. Especialmente en el caso de los muelles se mejora el módulo de Young y una mejor calidad de la suspensión.
• Industria militar: El titanio se emplea en la industria militar como material de blindaje, en la construcción de los portaaviones, en la carrocería de vehículos ligeros, en la construcción de submarinos nucleares y en la fabricación de misiles
• Industria aeronáutica y espacial: Debido a su fuerza, baja densidad y el que puede soportar temperaturas relativamente altas, las aleaciones de titanio se emplean en aviones y cohetes espaciales . El titanio y sus aleaciones se aplican en la construcción aeronáutica básicamente para construir forjados estructurales de los aviones, discos de ventilación, álabes, y palas de turbinas.
• Construcción naval: La propiedad que tiene el titanio de ser resistente a la corrosión permite que algunas de sus aleaciones sean muy utilizadas en construcción naval donde se fabrican hélices y ejes de timón, cascos de cámaras de presión submarina, componentes de botes salvavidas y plataformas petrolíferas, así como intercambiadores de calor, condensadores y conducciones en centrales que utilizan agua de mar como refrigerante, porque el contacto con el agua salada no le afecta.
• Industria relojera: Los relojes deportivos que requieren un material resistente a menudo usan el titanio, un metal fuerte, blanco. Los relojes de pulsera de titanio son de peso ligero, 30 por ciento más fuertes que los de acero y resisten la corrosión. Generalmente tienen una capa protectora para hacerlos resistentes a los rayones. Se fabrican las cajas de titanio e incluso las correas de sujeción.
• Joyería y bisutería: Cada vez se está utilizando más el titanio como metal seminoble en el ámbito de la joyería y de la bisutería. Así es posible encontrar pulseras, pendientes, anillos, etc., fabricados en este metal. Para mejorar el aspecto superficial del titanio se le somete a diferentes tipos de procesos que refuerzan su belleza.
• Instrumentos deportivos: Con titanio se producen actualmente distintos productos de consumo deportivo como palos de golf, bicicletas, cañas de pescar, etc.
• Decoración: También se han empleado láminas delgadas de titanio para recubrir algunos edificios, como por ejemplo el Museo Guggenheim Bilbao.



Circonio


Introducción

El circonio (o zirconio) es un elemento químico de número atómico 40 situado en el grupo 4 de la tabla periódica de los elementos. Su símbolo es Zr.
Es un metal duro, resistente a la corrosión, similar al acero. Los minerales más importantes en los que se encuentra son el circón (ZrSiO4) y la badeleyita (ZrO2), aunque debido al gran parecido entre el circonio y el hafnio (no hay otros elementos que se parezcan tanto entre sí) realmente estos minerales son mezclas de los dos; los procesos geológicos no han sido capaces de separarlos. Se utiliza sobre todo en reactores nucleares (por su baja sección de captura de neutrones) y para formar parte de aleaciones con alta resistencia a la corrosión.

Historia

El circonio (del árabe “zargun”, que significa “color dorado”) fue descubierto en 1789 por Martin Klaproth a partir del circón. En 1824 Jons Jakov Berzelius lo aisló en estado impuro; hasta 1914 no se preparó el metal puro.
En algunas escrituras bíblicas se menciona el mineral circón, que contiene circonio, o alguna de sus variaciones (jargón, jacinto, etc.) No se sabía que el mineral contenía un nuevo elemento hasta que Klaproth analizó un jargón procedente de Ceilán, en el océano Índico, denominando al nuevo elemento como circonia. Berzelius lo aisló impuro calentando una mezcla de potasio y fluoruro de potasio y circonio en un proceso de descomposición en un tubo de hierro. El circonio puro no se preparó hasta 1914.

Características

Es un metal blanco grisáceo, brillante y muy resistente a la corrosión. Es más ligero que el acero con una dureza similar a la del cobre. Cuando está finamente dividido puede arder espontáneamente en contacto con el aire (reacciona antes con el nitrógeno que con el oxígeno), especialmente a altas temperaturas. Es un metal resistente frente a ácidos, pero se puede disolver con ácido fluorhídrico (HF), seguramente formando complejos con los fluoruros. Sus estados de oxidación más comunes son +2, +3 y +4.
Aplicaciones
• Principalmente (en torno a un 90% del consumido) se utiliza como recubrimiento en reactores nucleares, debido a que su sección de captura de neutrones es muy baja. La sección de captura del hafnio es alta, por lo que es necesario separarlos para esta aplicación (para otras, no es necesario), generalmente mediante un proceso de extracción con dos disolventes no miscibles, o bien empleando resinas de intercambio iónico.
• Se utiliza como aditivo en aceros obteniéndose materiales muy resistentes. También se emplean aleaciones con níquel en la industria química por su resistencia frente a sustancias corrosivas.
• El óxido de circonio impuro se emplea para fabricar crisoles de laboratorio (que soportan cambios bruscos de temperatura), recubrimiento de hornos y como material refractario en industrias cerámicas y de vidrio.
• El metal es bien tolerado por los tejidos humanos, por lo que puede emplearse en articulaciones artificiales (por ejemplo en la fabricación de dientes artificiales de gran calidad).
• También se emplea en intercambiadores de calor, tubos de vacío y filamentos de bombil se emplean para la fabricación de antitranspirantes.
• Con fines militares se emplea como agente incendiario.
• Aleado con niobio presenta superconductividad a bajas temperaturas, por lo que se puede emplear para hacer imanes superconductores. Por otra parte, la aleación con zinc es magnética por debajo de los 35 K.
• El óxido de circonio se usa en joyería; es una gema artificial denominada circonita que imita al diamante.
• Un nuevo uso que se le da hoy en día, es en la fabricación de implantes dentales como alternativa al Titanio. No tan solo como el implante o fijación propiamente tal, sino además como aditamentos protésicos, eliminando el uso de metales mejorando así la estetica.
Además el Circonio (o Zirconio) no presenta los problemas de difusión intraoseos que se han detectado en implantes de Titanio, por consiguiente el Zirconio esta ganando dia dia terreno en el campo de la implantologia dental.

Abundancia y obtención

El circonio no se encuentra en la naturaleza como metal libre, pero sí formando parte de numerosos minerales. La principal fuente de circonio se obtiene del mineral circón (silicato de circonio, ZrSiO4), que se encuentra en depósitos en Australia, Brasil, India, Rusia y Estados Unidos. El circón se obtiene como subproducto de la minería y procesado de minerales de metales pesados de titanio, la ilmenita (FeTiO3) y el rutilo (TiO2), y también de estaño. El circonio y el hafnio se encuentran en el circón en una relación de 50 a 1 y es muy difícil separarlos. También se encuentra en otros minerales, como la badeleyita (ZrO2).
El metal se obtiene principalmente mediante una cloración reductiva a través del denominado proceso de Kroll: primero se prepara el cloruro, para después reducirlo con magnesio. En procesos semi-industriales se puede realizar la electrólisis de sales fundidas, obteniéndose el circonio en polvo que puede utilizarse posteriormente en pulvimetalurgia.
Para la obtención del metal con mayor pureza se sigue el proceso Van Arkel basado en la disociación del yoduro de circonio, obteniéndose una esponja de circonio metal denominada crystal-bar. Tanto en este caso, como en el anterior, la esponja obtenida se funde para obtener el lingote.
También es abundante en las estrellas de tipo S y se ha detectado en el Sol y en meteoritos. Además, se ha encontrado una alta cantidad en óxido de circonio (en comparación con la presente en la corteza terrestre) en muestras lunares.

Isótopos

En la naturaleza se encuentran cuatro isótopos estables y un radioisótopo de muy larga vida (Zr-96). El radioisótopo que le sigue en estabilidad es el Zr-93 que tiene un periodo de semidesintegración de 1,53 millones de años. Se han caracterizado otros dieciocho radioisótopos. La mayoría tienen periodos de semidesintegración de menos de un día, excepto el Zr-95 (64,02 días), Zr-88 (63,4 días) y Zr-89 (78,41 horas). El principal modo de desintegración es la captura electrónica antes del Zr-92, mientras que después es la desintegración beta.


Hafnio


El hafnio es un elemento químico de número atómico 72 que se encuentra en el grupo 4 de la tabla periódica de los elementos y se simboliza como Hf.
Es un metal de transición, brillante, gris-plateado, químicamente muy parecido al circonio, encontrándose en los mismos minerales y compuestos, y siendo difícil separarlos. Se usa en aleaciones con wolframio en filamentos y en electrodos. También se utiliza como material de barras de control de reactores nucleares debido a su capacidad de absorción de neutrones. Recientemente, se ha convertido en el material utilizado para fabricar los transistores de los procesadores de la conocida marca Intel.

Principales propiedades

Es un metal dúctil, brillante, plateado y resistente a la corrosión; químicamente muy similar al circonio. Estos dos elementos tienen el mismo número de electrones en sus capas exteriores y sus radios iónicos son muy similares debido a la contracción de los lantánidos. Por eso son muy difíciles de separar (los procesos geológicos no los han separado y en la naturaleza se encuentran juntos) y no hay otros elementos químicos que se parezcan más entre sí. Las únicas aplicaciones para las cuales es necesario separarlos es en aquellas en las que se utilizan por sus propiedades de absorción de neutrones, en reactores nucleares.
El carburo de hafnio (HfC) es el compuesto binario más refractario conocido y el nitruro de hafnio (HfN) es el más refractario de todos los nitruros metálicos conocidos, con un punto de fusión de 3310 °C. Este metal es resistente a las bases concentradas, pero los halógenos pueden reaccionar con él para formar tetrahaluros de hafnio (HfX4). A temperaturas altas puede reaccionar con oxígeno, nitrógeno, carbono, boro, azufre y silicio.

Aplicaciones

El hafnio se utiliza para fabricar barras de control empleadas en reactores nucleares, como las que se pueden encontrar en submarinos nucleares, debido a que la sección de captura de neutrones del hafnio es unas 600 veces la del circonio, con lo cual tiene una alta capacidad de absorción de neutrones, y además tiene unas propiedades mecánicas muy buenas, así como una alta resistencia a la corrosión. Otras aplicaciones:
• En lámparas de gas e incandescentes.
• Para eliminar oxígeno y nitrógeno de tubos de vacío.
• En aleaciones de hierro, titanio, niobio, tántalo y otras aleaciones metálicas.
• En enero de 2007, se anunció como parte fundamental de una nueva tecnología de microprocesadores, desarrollada separadamente por IBM e Intel, en reemplazo del silicio, que es el material de base tradicional.
• Uno de sus derivados, en concreto el óxido de Hafnio posee un índice de refracción intermedio entre el silicio y el aire. Este compuesto se emplea en la transición entre estos dos interfaces en los dispositivos fotónicos de Si, reduciendo de esta manera las pérdidas debidas a reflexiones.

Obtención

Se encuentra siempre junto al circonio en sus mismos compuestos, pero no se encuentra como elemento libre en la naturaleza. Está presente, como mezclas, en los minerales de circonio, como el circón (ZrSiO4) y otras variedades de éste (como la alvita), conteniendo entre un 1 y un 5% de hafnio.
Debido a la química casi idéntica que presentan el circonio y el hafnio, es muy difícil separarlos. Aproximadamente la mitad de todo el hafnio metálico producido se obtiene como subproducto de la purificación del circonio. Esto se hace reduciendo el tetracloruro de hafnio (HfCl4) con magnesio o sodio en el proceso de Kroll.

Historia

Se llamó hafnio por el nombre de Copenhague en latín, Hafnia, la ciudad danesa en donde fue descubierto por Dirk Coster y Georg von Hevesy en 1923. Poco después se predijo, usando la teoría de Bohr, que estaría asociado con el circonio, y finalmente se encontró en el circón mediante unos análisis con espectroscopia de rayos X en Noruega.
Se separó del circonio mediante recristalizaciones sucesivas por Jantzen y von Hevesey. El hafnio metálico se preparó por primera vez por Anton Eduard van Arkel y Jan Hendrik de Boer pasando tetrayoduro de hafnio (HfI4) por un filamento caliente de wolframio.

Precauciones

Es necesario tener cuidado al trabajar el hafnio pues cuando se divide en partículas pequeñas es pirofórico y puede arder espontáneamente en contacto con el aire. Los compuestos que contienen este metal raramente están en contacto con la mayor parte de las personas y el metal puro no es especialmente tóxico, pero todos sus compuestos deberían manejarse como si fueran tóxicos (aunque las primeras evidencias no parecen indicar un riesgo muy alto).







Germanio


El germanio es un elemento químico con número atómico 32, y símbolo Ge perteneciente al grupo 14 de la tabla periódica de los elementos.

Características principales

Es un metaloide sólido duro, cristalino, de color blanco grisáceo lustroso, deleznable, que conserva el brillo a temperaturas ordinarias. Presenta la misma estructura cristalina que el diamante y resiste a los ácidos y álcalis.
Forma gran número de compuestos organometálicos y es un importante material semiconductor utilizado en transistores y fotodetectores. A diferencia de la mayoría de semiconductores, el germanio tiene una pequeña banda prohibida (band gap) por lo que responde de forma eficaz a la radiación infrarroja y puede usarse en amplificadores de baja intensidad.

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 teratracloruro de germanio es un ácido de Lewis y se usa como catalizador en la síntesis de polímeros (PET).

Abundancia y obtención

Los únicos minerales rentables para la extracción del germanio son la germanita (69% de Ge) y ranierita (7-8% de Ge); además está presente en el carbón, la argirodita y otros minerales. La mayor cantidad, en forma de óxido (GeO2), se obtiene como subproducto de la obtención del cinc o de procesos de combustión de carbón (en Rusia y China se encuentra el proceso en desarrollo).
La purificación del germanio pasa por su tetracloruro que puede ser destilado y luego es reducido al elemento con hidrógeno o con magnesio elemental.
Con pureza del 99,99%, para usos electrónicos se obtiene por refino mediante fusión por zonas resultando cristales de 25 a 35 mm usados en transistores y diodos; con esta técnica las impurezas se pueden reducir hasta 0,0001 ppm.
El desarrollo de los transistores de germanio abrió la puerta a numerosas aplicaciones electrónicas que hoy son cotidianas. Entre 1950 y a principios de los 70, la electrónica constituyó el grueso de la creciente demanda de germanio hasta que empezó a sustituirse por el silicio por sus superiores propiedades eléctricas. Actualmente la gran parte del consumo se destina a fibra óptica (cerca de la mitad), equipos de visión nocturna y catálisis en la polimerización de plásticos, aunque se investiga su sustitución por catalizadores más económicos. En el futuro es posible que se extiendan las aplicaciones electrónicas de las aleaciones silicio-germanio en sustitución del arseniuro de galio especialmente en las telecomunicaciones sin cable.
Además se investigan sus propiedades bactericidas ya que su toxicidad para los mamíferos es escasa.

Isótopos

El germanio tiene cinco isótopos estables siendo el más abundante el Ge-74 (35,94%). Se han caracterizado 18 radioisótopos de germanio, siendo el Ge-68 el de mayor vida media con 270,8 días. Se conocen además 9 estados metaestables.

Precauciones

Algunos compuestos de germanio (tetrahidruro de germanio o germano) tienen una cierta toxicidad en los mamíferos pero son letales para algunas bacterias. También es letal para la taenia.

Toxicidad

El germanio se encuentra más comúnmente en la naturaleza como un contaminante de diversos minerales y es obtenido de los residuos de cadmio remanentes del procesado de los minerales de zinc. Las investigaciones toxicológicas han demostrado que el germanio no se localiza en ningún tejido dado que se excreta rápidamente principalmente por la orina. Las dosis excesivas de germanio lesionan los lechos capilares de los pulmones. Produce una diarrea muy marcada que provoca una deshidratación, hemoconcentración, caída de la presión arterial e hipotermia.

Silicio


El silicio es un elemento químico metaloide, numero atomico 14 y situado en el grupo 4 de la tabla periódica de los elementos formando parte de la familia de los carbonoideos. 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.

Características


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 amorfo 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 1.410 °C, un punto de ebullición de 2.355 °C y una densidad relativa de 2,33. Su masa atómica es 28,086.
Se disuelve en ácido fluorhídrico 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 ceolitas, 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 Silicon Valley (Valle del Silicio) a la región de California en la que concentran numerosas empresas del sector de la electrónica y la informática. 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.
Se utiliza en la industria del acero como componente de las aleaciones de silicio-acero. Para fabricar el acero, se desoxida el acero fundido añadiéndole pequeñas cantidades de silicio; el acero común contiene menos de un 0,03% de silicio. El acero de silicio, que contiene de 2,5 a 4% de silicio, se usa para fabricar los núcleos de los transformadores eléctricos, pues la aleación presenta baja histéresis (ver Magnetismo). Existe una aleación de acero, el durirón, que contiene un 15% de silicio y es dura, frágil y resistente a la corrosión; el durirón se usa en los equipos industriales que están en contacto con productos químicos corrosivos. El silicio se utiliza también en las aleaciones de cobre, como el bronce y el latón.
El silicio es un semiconductor; su resistividad a la corriente eléctrica a temperatura ambiente varía entre la de los metales y la de los aislantes. La conductividad del silicio se puede controlar añadiendo pequeñas cantidades de impurezas llamadas dopantes. La capacidad de controlar las propiedades eléctricas del silicio y su abundancia en la naturaleza han posibilitado el desarrollo y aplicación de los transistores y circuitos integrados que se utilizan en la industria electrónica.
La sílice y los silicatos se utilizan en la fabricación de vidrio, barnices, esmaltes, cemento y porcelana, y tienen importantes aplicaciones individuales. La sílice fundida, que es un vidrio que se obtiene fundiendo cuarzo o hidrolizando tetracloruro de silicio, se caracteriza por un bajo coeficiente de dilatación y una alta resistencia a la mayoría de los productos químicos. El gel de sílice es una sustancia incolora, porosa y amorfa; se prepara eliminando parte del agua de un precipitado gelatinoso de ácido silícico, SiO2•H2O, el cual se obtiene añadiendo ácido clorhídrico a una disolución de silicato de sodio. El gel de sílice absorbe agua y otras sustancias y se usa como agente desecante y decolorante.
El silicato de sodio (Na2SiO3), también llamado vidrio, es un silicato sintético importante, sólido amorfo, incoloro y soluble en agua, que funde a 1088 °C. Se obtiene haciendo reaccionar sílice (arena) y carbonato de sodio a alta temperatura, o calentando arena con hidróxido de sodio concentrado a alta presión. La disolución acuosa de silicato de sodio se utiliza para conservar huevos; como sustituto de la cola o pegamento para hacer cajas y otros contenedores; para unir gemas artificiales; como agente incombustible, y como relleno y adherente en jabones y limpiadores. Otro compuesto de silicio importante es el carborundo, un compuesto de silicio y carbono que se utiliza como abrasivo.
El monóxido de silicio, SiO, se usa para proteger materiales, recubriéndolos de forma que la superficie exterior se oxida al dióxido, SiO2. Estas capas se aplican también a los filtros de interferencias.

Historia

El silicio (del latín silex, sílice) fue identificado por primera vez por Antoine Lavoisier en 1787, y el elemento.Viene definido por su utilización en las ventanas.

Abundancia y obtención

El silicio es uno de los componentes principales de los aerolitos, una clase de meteoroides.
Medido en peso el silicio representa más de la cuarta parte de la corteza terrestre y es el segundo elemento más abundante por detrás del oxígeno. El silicio no se encuentra en estado nativo; arena, cuarzo, amatista, ágata, pedernal, ópalo y jaspe son algunas de los minerales en los que aparece el óxido, mientras que formando silicatos se encuentra, entre otros, en el granito, feldespato, arcilla, hornblenda y mica.
El silicio comercial se obtiene a partir de sílice de alta pureza en horno de arco eléctrico reduciendo el óxido con electrodos de carbono a temperatura superior a 3000 °C:
SiO2 + C → Si + CO2
El silicio líquido se acumula en el fondo del horno de donde se extrae y se enfría. El silicio producido por este proceso se denomina metalúrgico y tiene una pureza superior al 99%. Para la construcción de dispositivos semiconductores es necesario un silicio de mayor pureza, silicio ultrapuro, que puede obtenerse por métodos físicos o químicos.
Los métodos físicos de purificación del silicio metalúrgico se basan en la mayor solubilidad de las impurezas en el silicio líquido, de forma que éste se concentra en las últimas zonas solidificadas. El primer método, usado de forma limitada para construir componentes de radar durante la Segunda Guerra Mundial, consiste en moler el silicio de forma que las impurezas se acumulen en las superficies de los granos; disolviendo éstos parcialmente con ácido se obtenía un polvo más puro. La fusión por zonas, el primer método usado a escala industrial, consiste en fundir un extremo de la barra de silicio y trasladar lentamente el foco de calor a lo largo de la barra de modo que el silicio va solidificando con una pureza mayor al arrastrar la zona fundida gran parte de las impurezas. El proceso puede repetirse las veces que sea necesario hasta lograr la pureza deseada bastando entonces cortar el extremo final en el que se han acumulado las impurezas.
Los métodos químicos, usados actualmente, actúan sobre un compuesto de silicio que sea más fácil de purificar descomponiéndolo tras la purificación para obtener el silicio. Los compuestos comúnmente usados son el triclorosilano (HSiCl3), el tetracloruro de silicio (SiCl4) y el silano (SiH4).
En el proceso Siemens, las barras de silicio de alta pureza se exponen a 1150°C al triclorosilano, gas que se descompone depositando silicio adicional en la barra según la siguiente reacción:
2 HSiCl3 → Si + 2 HCl + SiCl4
El silicio producido por éste y otros métodos similares se denomina silicio policristalino y típicamente tiene una fracción de impurezas de 0,001 ppm o menor.
El método Dupont consiste en hacer reaccionar tetracloruro de silicio a 950°C con vapores de cinc muy puros:
SiCl4 + 2 Zn → Si + 2 ZnCl2
Este método, está plagado de dificultades (el cloruro de cinc, sub producto de la reacción, solidifica y obstruye las líneas) por lo que eventualmente se ha abandonado en favor del proceso Siemens.
Una vez obtenido el silicio ultrapuro es necesario obtener uno monocristal, para lo que se utiliza el proceso Czochralski.

Isótopos


El silicio tiene nueve isótopos, con número másico entre 25 a 33. El isótopo más abundante es el Si 28 con una abundancia del 92,23%, el Si 29 tiene una abundancia del 4,67% y el Si 30 que tiene una abundancia del 3,1%, todos ellos son estables teniendo el resto de isótopos una proporción ínfima. El Si 32 es radiactivo que proviene del decaimiento del argón. Su tiempo de semivida es aproximadamente de unos 132 años. Padece un decaimiento beta que lo transforma en P-32 (que tiene un periodo de semivida de 14,28 días).












Les dejo 5 elementos del grupo 4 de la tabla periodica de los elementos espero que les sirvan












suerte a todos








Fuente:
http://es.wikipedia.org/wiki/Circonio
http://es.wikipedia.org/wiki/Hafnio
http://es.wikipedia.org/wiki/Germanio
http://es.wikipedia.org/wiki/Silicio
http://es.wikipedia.org/wiki/Titanio