solidos cristalinos IV Ciclo Utelesup

1. Curso Física Electrónica
Alumno: Alan Eddy Carrasco Sevillano
Ciclo: IV

2. Estructura cristalina, propiedades y
aplicaciones de los siguientes elementos:
Silicio
Germanio
Galio

3.  El silicio es un elemento químico metaloide,
número atómico 14 y situado en el grupo 4 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.

5.  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 1.411 °C, un punto de ebullición de 2.355 °C y una
densidad relativa de 2,33. Su masa atómica es 28,086.

6.  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.

7.  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.

8.  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:

9.  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.

10.  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 0,30 % de silicio. El acero al 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.

11.  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.

12.  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.

13.  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.

14.  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.
 Fue identificado por primera vez por Antoine
Lavoisier en 1787.
Referencia: http://es.wikipedia.org/wiki/Silicio

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

17.  Es un metaloide sólido duro, cristalino, de color
blanco grisáceo lustroso, quebradizo, 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.

18. Las aplicaciones del germanio se ven limitadas por su elevado costo
 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).
Referencia: http://es.wikipedia.org/wiki/Germanio

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

21.  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 de la ambiente (como
cesio, mercurio y rubidio) e incluso cuando se lo
agarra con 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 punto 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.

22.  Presenta una acusada tendencia a subenfriarse por
debajo del punto de fusión (permaneciendo aún en
estado líquido) por lo que es necesaria una semilla (un
pequeño sólido añadido al líquido) para solidificarlo.
La cristalización no se produce en ninguna de las
estructuras simples; la fase estable en condiciones
normales es ortorrómbica, con 8 átomos en cada
celda unitaria en la que cada átomo sólo tiene otro en
su vecindad más próxima a una distancia de 2,44 Å y
estando los otros seis a 2,83 Å. En esta estructura el
enlace químico formado entre los átomos más
cercanos es covalente siendo la molécula Ga2 la que
realmente forma el entramado cristalino.

23.  La principal aplicación del galio (arseniuro de galio) es la construcción de
circuitos integrados y dispositivos optoelectrónicos como diodos láser y
LED.
 Se emplea para dopar materiales semiconductores y construir
dispositivos diversos como transistores.
 En termómetros de alta temperatura por su bajo punto de fusión.
 El galio se alea con facilidad con la mayoría de los metales y se usa en
aleaciones de bajo punto de fusión.
 El isótopoGa-67 se usa en medicina nuclear.

24.  Se ha descubierto recientemente que aleaciones galio-aluminio en
contacto con agua produce una reacción química dando como resultado
hidrógeno. Este método para la obtención de hidrógeno no es rentable,
ni ecológico, ya que requiere la doble fundición del aluminio, con el
consiguiente gasto energético.
 También se ha descubierto más recientemente que una aleación de
galio-antimonio sumergida en agua y en la cual incide la luz solar provoca
la separación de las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno. Gracias al
uso potencial de esta aleación no será necesario el uso de combustibles
fósiles para generar hidrógeno a partir del agua, reduciendo con ello las
emisiones de CO2.
Referencia: http://es.wikipedia.org/wiki/Galio