L’uso del formalismo delle funzioni memoria ci permette in…ne di poter ac- cedere al valore della viscosità longitudinale e di fornire quindi una general- izzazione a valori di Q diversi da zero di questa proprietà di trasporto.
Dalla relazione (4.25) si può identi…care, nel limite di Q ! 0, la viscosità longitudinale come il valore dell’integrale della funzione memoria longitudi- nale. La generalizzazione di questa grandezza, per momenti di vettore scam- biato diversi da zero, può quindi essere ottenuta considerando l’integrale fuori dal limite idrodinamico.
Nel caso in cui viene adottato il modello a due tempi di rilassamento si può fornire un’espressione esplicita per L:
L= Q2 Z 1 0 ML(Q; t)dt = (Q) (Q) + (Q) (Q) Q2 (4.31)
Il Silicio
5.1
Storia, caratteristiche, applicazioni
Il silicio (dal latino silex, silicis che signi…ca selce) venne identi…cato per la prima volta da Antoine Lavoisier nel 1787, e venne successivamente scam- biato per un composto da Humphry Davy nel 1800. Nel 1811 Gay Lussac e Thenard probabilmente prepararono del silicio amorfo impuro attraverso il riscaldamento di potassio con tetra‡uoruro di silicio. Nel 1824 Berzelius preparò del silicio amorfo usando all’incirca lo stesso metodo di Gay Lussac. Berzelius però riuscì a puri…care il prodotto eliminando i ‡uorosilicati attra- verso successivi lavaggi. Deville nel 1854 riuscì per primo a produrre silicio cristallino, seconda forma allotropica dell’elemento. Una seria malattia dei polmoni chiamata silicosi era molto frequente tra i minatori, i tagliatori di pietre e altri lavoratori che erano impegnati in lavori dove polvere di silicio veniva inalata in grandi quantità.
Il silicio è l’elemento chimico della tavola periodica degli elementi che ha come simbolo Si e come numero atomico il 14. Un metalloide tetravalente che è meno reattivo del suo analogo chimico, il carbonio. È il secondo ele- mento per abbondanza nella crosta terrestre dopo l’ossigeno, componendone il 25; 7% del peso. Si trova in argilla, feldspato, granito, quarzo e sabbia, principalmente in forma di biossido di silicio, silicati e alluminosilicati (com- posti contenenti silicio, ossigeno e metalli). È il componente principale di vetro, cemento, semiconduttori, ceramica e silicone.
Ha nove isotopi, con peso atomico che varia tra 25 e 33. Il28Si(l’isotopo
più abbondante, con il 92:23%), il 29Si (4:67%), e il30Si (3:1%) sono stabili;
il 32Si è un isotopo radioattivo prodotto dal decadimento dell’argon. La sua
CAPITOLO 5. IL SILICIO 75
emivita , dopo un lungo dibattito, è stata determinata in circa 276 anni, e decade per emissione in 32P (che ha emivita di 14; 28 anni) e quindi in 32S.
Peso atomico 28; 0855amu
Raggio atomico 1; 46A
Raggio covalente 1; 11A
Volume atomico 12; 1cm3mol 1
Con…gurazione elettronica Ne3s23p2
e per livello energetico 2, 8, 4
Stato di ossidazione 4 (anfotero)
Struttura cristallina Cubica a facce centrate con base: (0; 0; 0); (1 4;
1 4;
1 4)
Parametro reticolare 5; 609A
Nella sua forma cristallina, il silicio ha colore grigio e una lucidità metal- lica. Anche se è un elemento relativamente inerte, reagisce con gli alogeni e gli alcali diluiti, ma la maggior parte degli acidi (eccetto l’acido ‡uoridrico) non lo intaccano.
Stato di aggregazione solido (non magnetico) Punto di fusione 1683K(1410 C) Punto di ebollizione 2628K(2355 C) Calore di vaporizzazione 384; 22kJ mol 1
Calore di fusione 50; 55kJ mol 1
Pressione del vapore 4; 77P a a 1683K
Elettronegatività 1; 90
Capacità calorica speci…ca 0; 7J g 1K 1
Conducibilità elettrica 2; 52 10 12cm 1Ohm 1
Conducibilità termica 1; 48W cm 1K 1
Energia di prima ionizzazione 786; 5kJ mol 1
Energia di seconda ionizzazione 1577; 1kJ mol 1
Energia di terza ionizzazione 3231; 6kJ mol 1
Energia di quarta ionizzazione 4355; 5kJ mol 1
Energia di quinta ionizzazione 16091kJ mol 1
Energia di sesta ionizzazione 19805kJ mol 1
Energia di settima ionizzazione 23780kJ mol 1
Energia di ottava ionizzazione 29287kJ mol 1
Energia di nona ionizzazione 33878kJ mol 1
Energia di decima ionizzazione 38726kJ mol 1
L’emivita (o tempo di dimezzamento) di un isotopo radioattivo è de…nita come il tempo occorrente perché la metà degli atomi di un campione puro dell’isotopo decadano in un altro elemento.
Il silicio elementare, che non si trova in natura, trasmette più del 95% di tutte le lunghezze d’onda nell’intervallo di radiazione infrarossa, da 1; 3 a 6; 7 m.
Il silicio è alla base di tutti i silicati, minerali formati da silicio e ossigeno più altri elementi in forma ionica. I silicati sono contenuti nei magmi e per la struttura tetraedrica della silice, il magma diventa più vischioso, e capace di trattenere maggiori quantità di gas. In base al contenuto di silice si determina l’acidità di un magma e delle rocce dal quale derivano. Se è poco presente il magma si dirà basico. Il silicio è il principale componente degli aeroliti, che sono una classe di meteoroidiynonché della tectite, che è una forma naturale
di vetro [21].
Il silicio è un elemento molto utile, ed è vitale per molte industrie. Il diossido di silicio in forma di sabbia e argilla è un importante ingrediente del cemento e dei mattoni, ed è molto importante per la vita animale e vegetale. Le diatomeez estraggono la silice dall’acqua per costruire i muri
protettivi delle loro cellule; gli equisetix lo concentrano nel fusto della pianta
usandolo per conferirgli robustezza e notevole resistenza alla masticazione, per scoraggiare gli erbivori. Altri usi:
È un materiale refrattario usato nella produzione di materiali ad alte temperature, e i suoi silicati sono impiegati nella fabbricazione di smalti e terraglie.
Il silicio è un importante costituente di alcuni tipi di acciaio; il suo limite di concentrazione è del 5%, in quanto oltre si ha un notevole ab- bassamento della resilienza{a causa del suo potenziale di accrescimento
della grana cristallina. Rende inoltre possibile far separare gra…te 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.
ySecondo la terminologia astronomica moderna, un meteoroide è un frammento roc- cioso o metallico relativamente piccolo (le dimensioni variano da quelle di un granello di sabbia a quelle di un masso, secondo i limiti stabiliti nel 1961 dall’Unione Astronomica Internazionale, che considera meteoroidi i corpi di massa compresa fra 10-9 e 107 kg) dei residui rimasti dalla condensazione della nebulosa da cui si formò il Sistema Solare.
zAlghe unicellulari facenti parte della classe Bacillariophyceae, comparse circa 135 milioni di anni fa.
xSono piante grandi senza …ori e foglie, con stelo tubulare, segmentato e scalanato, con nodi irregolari. Si riproducono mediante spore che vengono prodotte in coni ovoidali.
CAPITOLO 5. IL SILICIO 77
La silice della sabbia è un componente principale del vetro.
Il carburo di silicio, chiamato anche carborundum, è uno dei più im- portanti abrasivi.
Il silicio ultrapuro 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 (solar cells) , e altre apparecchiature a semiconduttori, che sono utilizzate in elettronica e altre applicazioni ad alta tecnologia. Esistono due tipi di drogaggio legati al silicio che permettono di dare eccesso di elettroni alla banda di conduzione (semiconduttore di tipo n) o lacune di elettroni alla banda di valenza (semiconduttore di tipo p).
Il silicio può essere usato nei laser per produrre luce coerente con una lunghezza d’onda di 4560A.
I siliconi sono composti ‡essibili contenenti legami silicio-ossigeno o silicio-carbonio; sono ampiamente usati in forma di gel per impianti arti…ciali del seno e per le lenti a contatto.
Il silicio idrogenato amorfo si è mostrato promettente per la produzione di celle solari e apparati elettronici a basso costo.
La silice è uno dei principali ingredienti dei mattoni a causa della sua bassa attività chimica.