Silicio, de la arena al chip

	`Autores: Silvia Cerdeira, Helena Ceretti y Eduardo Reciulschi` `Área disciplinar: Química` `Temática: Estructura macro y microscópica de la materia` `Nivel: Secundario, ciclo orientado` `Palabras clave: silicio, silicatos, tierra, cerámicos, semiconductores`

Propósitos generales

Promover el uso de los equipos portátiles en el proceso de enseñanza y aprendizaje.

Promover el trabajo en red y colaborativo, la discusión y el intercambio entre pares, la realización en conjunto de la propuesta, la autonomía de los alumnos y el rol del docente como orientador y facilitador del trabajo.

Estimular la búsqueda y selección crítica de información proveniente de diferentes soportes, la evaluación y validación, el procesamiento, la jerarquización, la crítica y la interpretación.

Introducción a las actividades

Seguramente sería muy fácil para cualquiera con algún conocimiento de química identificar cuál de todos los elementos de la tabla periódica es el más abundante en la Tierra. ¿Adivinaron? Claro, es el oxígeno. Ahora: ¿cuál es el segundo? Ese es más difícil de adivinar: es el silicio.

El nombre silicio deriva del latín silex (pedernal). La humanidad ha conocido a los compuestos del silicio desde la prehistoria. Las herramientas y las armas hechas de pedernal; una de las variedades del dióxido de silicio, fueron los primeros utensilios del hombre.

El silicio, a diferencia del carbono que se encuentra justo sobre él en la tabla periódica (ver secuencia didáctica: Tabla periódica), no existe libre en la naturaleza. Como dióxido (SiO₂) se encuentra en distintas variedades de cuarzo: cristal de roca, amatista, cuarzo ahumado, cuarzo rosa y cuarzo lechoso.

La arena es en gran parte dióxido de silicio (sílice). El ópalo es una variedad hidratada de cuarzo. La mayoría de las arcillas corrientes contiene silicio, como por ejemplo el feldespato (KAlSi₃O₈), el asbesto (Mg₃Ca(SiO₃)₄) y la mica (KAl₃H₂(SiO₄)₃).

El silicio y sus compuestos han sido compañeros de la civilización humana desde sus orígenes, y están presentes en una inmensa variedad de objetos de nuestra vida cotidiana, desde el vidrio y el ladrillo hasta los aparatos electrónicos de última generación.

Objetivos de las actividades

Que los alumnos:

Analicen los diferentes compuestos de silicio presentes en la naturaleza en base a su estructura química, y los representen a través de modelos bidimensionales.
Reconozcan los diferentes tipos de materiales de construcción y los relacionen con su estructura química.
Vinculen las estructuras de los compuestos ¿que tienen? silicio con sus aplicaciones en electricidad y electrónica.

Actividad 1

Los silicatos son los minerales más comunes en la corteza y el manto terrestres y, según la mayoría de las estimaciones, componen el 95% de la corteza y el 97% del manto. Este grupo se caracteriza por contener los elementos de silicio y oxígeno.

La variedad y la abundancia de los silicatos minerales es producto de la naturaleza del átomo de silicio y, más específicamente, de la versatilidad y estabilidad del silicio cuando se une al oxígeno.

Mediante experimentos con rayos X se pudo determinar que en todos los silicatos se encuentra presente el anión ortosilicato (SiO₄^4-). Este anión toma la forma de un tetraedro (ver la Figura 1 y la secuencia didáctica: Vidrios y espejos) y los enlaces Si-O dentro de la estructura tetraédrica son covalentes polares (ver secuencia didáctica: Uniones covalentes II).

Fig 1: Dos formas de representar el ión ortosilicato.

Estas formas tetraédricas se enlazan entre sí y con una variedad de cationes como Al³⁺, Fe²⁺y Mg²⁺ para formar los distintos silicatos minerales.

Los silicatos también tienen propiedades físicas diversas a pesar de que comúnmente tienen fórmulas químicas similares. A primera vista, por ejemplo, las fórmulas del cuarzo (SiO₂) y la olivina ((Fe,Mg)₂SiO₄) contienen tanto silicio como oxígeno, por lo que uno podría pensar que pueden ser compuestos similares.

Sin embargo, las estructuras cristalinas reveladas por los rayos X son muy diferentes de lo que se refleja en diferencias en cuanto a sus propiedades físicas, como por ejemplo su punto de fusión y el color del mineral.

El cuarzo funde a 600 °C, mientras que la olivina permanece sólida a temperaturas de casi 1200 °C. El cuarzo es generalmente transparente e incoloro, mientras que la olivina tiene color verde oliva.

A partir de la estructura tetraédrica básica mostrada en la Figura 1, podemos observar en la naturaleza diferentes estructuras poliméricas- En la siguiente tabla se resumen los tipos de estructura más comunes.

Estructura	Otros elementos presentes	Ejemplos	Animación de la estuctura
Tetraedros aislados	Hierro, magnesio	Olivina	Vision Learning 1
Cadena simple de tetraedros	Hierro, magnesio, calcio	Piroxenos	Vision Learning 2
Doble cadena de tetraedros	Hierro, magnesio, calcio, aluminio, sodio	Hornblenda	Vision Learning 3
Plano laminar de tetraedros	Aluminio, (principal) Sodio, potasio, calcio	Mica, arcilla	Vision Learning 4
Estructura tetraédrica tridimensional	Aluminio, (principal) Sodio, potasio, calcio	Cuarzo, feldespato	Vision Learning 5

La arcilla es un tipo de silicato muy importante, ya que incorpora agua en su estructura atómica. La presencia del agua lubrica las láminas de su estructura y es lo que hace que los barros que se forman sean fáciles de trabajar para crear un material cerámico (ver secuencia didáctica: Materiales clásicos y modernos).

Cuando este material se somete al calor, el agua se evapora provocando un reacomodamiento de la estructura molecular. El material resultante tiene mayor rigidez y mínima capacidad de absorción de agua.

Esta técnica de formar barro a partir de arcilla y luego exponerlo al calor es la base de la alfarería.

La alfarería es una de las artes más antiguas que se conocen, y consiste en la elaboración de vasijas y objetos a partir de barro cocido.

Si bien hay indicios prehistóricos de objetos de alfarería, los primeros artesanos especializados aparecieron en la Mesopotamia asiática. De ellos deriva la invención de muchas de las herramientas para trabajar mejor la arcilla, como el torno de alfarero y el horno de cocción.

En América hay una tradición alfarera muy importante previa a la conquista europea. Esta es objeto de estudio tanto para historiadores como para artesanos, y muchas de sus piezas son consideradas obras artísticas de alto valor.

Para los curiosos, en la siguiente página puede verse un catálogo de alfarería americana precolombina

Examinemos con un poco más de detalle la técnica empleada en alfarería.

Descarguen el siguiente video que se proyecta en el Museo de la Alfarería Tinajera en Villarrobledo (España):

El video es un poco largo y le faltan algunas de las ideas químicas desarrolladas en este texto. Les proponemos entonces que, empleando Windows Movie Maker o algún programa similar, reediten el video para que quede de un máximo de 5 minutos de modo de resaltar los aspectos químicos del mismo. Para agregar información, pueden reemplazar íntegramente la pista de sonido por una propia, e incluso pueden pegar información mediante el subtitulado.

Actividad 2

Desde la época en que se vivía en cavernas, el hombre ha buscado formas de protección contra la intemperie y la acción de los depredadores.

Para ello, se ha valido de diversos “materiales de construcción”, que han ido evolucionando a lo largo de la historia.

Démosle una mirada al tipo de materiales que disponemos en la actualidad:

a) Arcilla

Como hemos visto en la actividad anterior, las arcillas son aluminosilicatos con estructura laminar. Son químicamente inertes y generalmente resisten altas temperaturas; el proceso de cocción las convierte en materiales duros y frágiles.

Por ejemplo, el adobe (empleado desde la época del antiguo Egipto) es una mezcla de arcilla y arena mezclada con paja y secada al sol.

La mayoría de los cerámicos modernos está constituida por arcillas. En la siguiente tabla se describen algunos tipos de materiales cerámicos, sus propiedades y usos:

Material	Características	Usos
Baldosas y azulejos	Buen acabado, con superficie lisa. Duros.	Suelos. Recubrimiento de paredes.
Ladrillos refractarios	Duros. Resistentes a las elevadas temperaturas.	Hornos. Chimeneas, parrillas.
Loza sanitaria	Dura. Muy resistente a la corrosión.	Inodoros, bidets, piletas.
Vidrio	Transparente. Resistente a la corrosión. Aislante eléctrico. Frágil.	Ventanas, puertas. Vasos, platos. Decoración.
Lana de vidrio	Excelente aislante térmico. Excelente aislante acústico.	Capa aislante en muros.
Ladrillos	Duros. Baratos.	Muros. Fachadas.
Tejas	Duras. Baratas. Impermeables.	Tejados.

b) Piedra

La piedra ha sido muy utilizada en la Antigüedad como principal material para la construcción, pero en la actualidad su uso se ha visto limitado por el desarrollo de los materiales cerámicos.

Generalmente, en construcción se llama piedra a algunos materiales derivados de las rocas.

Las rocas son agregados naturales de partículas minerales, que se encuentran en la corteza terrestre. Sus principales características son: gran resistencia frente a los agentes atmosféricos y elevada resistencia a la compresión.

Las rocas se clasifican en tres grandes grupos: rocas ígneas o eruptivas, rocas metamórficas y rocas sedimentarias.

De estos grupos, solo los primeros dos son empleados como piedras en construcción, mientras que el tercer grupo se emplea como material para ligantes:

Rocas ígneas o eruptivas: compuestas básicamente por silicatos y otros compuestos de aluminio, hierro, calcio, magnesio y potasio; se caracterizan por su alta dureza. En función de la velocidad de enfriamiento al momento de su formación tenemos rocas ígneas de estructura cristalina (enfriamiento lento) o rocas ígneas de estructura vítrea (enfriamiento brusco). El granito (compuesto por cuarzo, mica y feldespato) es una de las variedades más conocidas de este tipo.

Rocas metamórficas: se producen por la transformación de la estructura cristalina de otras rocas, debido a grandes presiones y altas temperaturas. Las más conocidas son la pizarra (formada por arcilla) y el mármol (carbonato de calcio prácticamente puro).

Rocas sedimentarias: constituidas por sedimentos (canto rodado, arena, arcilla, incluso materia orgánica). Según su composición se clasifican en silíceas, calizas y arcillosas. Las rocas silíceas están formadas por arenas y gravas consolidadas con otros materiales; entre las calizas se destacan la calcita y la piedra pómez, empleados en la fabricación de aglutinantes (aglomerantes).

c) Aglomerantes o ligantes

Se llaman materiales aglomerantes aquellos materiales que, en estado pastoso y con consistencia variable, tienen la propiedad de poderse moldear, de adherirse fácilmente a otros materiales, de unirse entre sí, protegerlos, endurecerse y alcanzar resistencias mecánicas considerables.

La cal (CaO) y el yeso (CaSO₄.2H₂O) se obtienen a partir del tratamiento de rocas sedimentarias como la piedra caliza y la piedra pómez.

El cemento es un polvo fino, que se obtiene de moler la escoria de arcilla con piedra caliza calcinada, a temperatura muy alta. Al añadir agua, se va convirtiendo en una mezcla pastosa hasta llegar a tener la consistencia de la piedra. Hay cementos naturales (que solo necesitan calcinado y molido), y una amplia variedad de artificiales, con diferentes tipos de composición para aportarles propiedades específicas. Por ejemplo el cemento Portland (fabricado originalmente en esta ciudad inglesa) tiene la siguiente composición aproximada:

Oxido de calcio (CaO) 60-70%

Dióxido de silicio (Si O₂) 19-24%

Trióxido de aluminio (Al₂O₃) 4 -7 %

Óxido férrico (Fe₂O₃) 2 -6 %

Óxido de magnesio (MgO). 5%

Vamos a realizar nosotros nuestra propia construcción de una vivienda a pequeña escala (puede ser un iglú, un rancho o un edificio).

Para ello emplearemos cerámica sin horno (una mezcla que se endurece a temperatura ambiente) como material de construcción. Si lo desean pueden incluir otros elementos como madera o pequeños trozos de vidrio o plástico (ver secuencia didáctica: Materiales clásicos y modernos).

Con la cámara de la netbook, tomar fotografías a medida que progresan con la actividad.

Materiales:

Arcilla: 4 cucharadas al ras
Arena: 3 cucharadas al ras
Cemento Portland: 2 cucharadas al ras
Agua: 2 cucharadas
Una cuchara de sopa
Un recipiente

Nota: Si lo desean, pueden experimentar variando un poco las proporciones de la fórmula para obtener diferentes texturas de masa; también pueden reemplazar una parte de arcilla por polvo de ladrillo u otras tierras para cambiar la textura y el color de la masa.

Mezclar la arcilla, la arena y el cemento en el recipiente y revolver hasta que se observen bien mezclados los componentes.
Agregar el agua y revolver hasta que se forme una masa de consistencia similar a la masa empleada para preparar pizza o pastas.
Trabajar la masa con la mano.
Es conveniente tener pensado de antemano lo que se va a construir, ya que a las dos horas la masa comienza a secarse y se hace más difícil de trabajar.
Una vez terminado el trabajo, dejar secar durante 48 horas en un lugar donde no le dé el sol directo. Este material es frágil, por lo que debe tenerse cuidado con su manipulación para no romperlo.
Realizar en IMPRESS una publicidad ofreciendo el tipo de construcción realizado que incluya las fotografías, las ventajas del diseño y el tipo de material empleado.

Actividad 3.

Desde el punto de vista de la capacidad para conducir la corriente eléctrica, el silicio es un “semiconductor” (mejor que los aislantes, peor que los metales).

Esta capacidad de conducir la corriente o “conductividad” del silicio se puede controlar añadiendo pequeñas cantidades de impurezas llamadas dopantes.

Los dopantes son átomos de elementos que tienen en su última capa más electrones (tipo N) o menos electrones (tipo P) que el átomo de silicio (que tiene 4 electrones en su última capa).

En el siguiente video puede verse un esquema del comportamiento molecular de aislantes, conductores metálicos y semiconductores frente al paso de una corriente eléctrica (un flujo de electrones).

La capacidad de controlar las propiedades eléctricas del silicio, sumada a su abundancia en la naturaleza, posibilitó el desarrollo y aplicación de los transistores y diodos en reemplazo de las viejas válvulas de vacío, a partir de la segunda mitad del siglo XX. Estos se basan en determinadas combinaciones de semiconductores de tipo P y N.

Posteriormente, esta tecnología ha dado lugar al desarrollo de los circuitos integrados que se utilizan en la industria electrónica, y a los chips empleados en la industria informática.

Vean el video Silicio de la serie Materiales y materias primas del canal Encuentro.

Empleando el programa Cronos, realizar una línea de tiempo que represente la evolución tecnológica de los aparatos eléctricos o electrónicos relacionados con la comunicación durante el siglo XX (incluyendo válvulas, transistores y circuitos integrados).

Enlaces de interés y utilidad para el trabajo

Uniones covalentes II

Vidrios y espejos

Materiales clásicos y modernos

Bibliografía / Webgrafía recomendada

Índigo:Construyendo con átomos y moléculas, Colección Ciencia joven, Eudeba, Buenos Aires, 2007.

Información sobre el silicio y sus compuestos

algunos usos de los compuestos de silicio

Características y aplicaciones de las zeolitas

Usos y aplicaciones del cuarzo

Materiales de construcción

Programa “Cerámica”, de la serie Materiales y materias primas, de Canal Encuentro.