El documento describe las estructuras cristalinas del silicio, galio y germanio. Resume que el silicio cristaliza con una estructura de diamante, con átomos de silicio dispuestos en una celda unitaria de 0,543 nm. El galio cristaliza en una estructura ortorrómbica con 8 átomos por celda unitaria, donde cada átomo está enlazado covalentemente a otro átomo cercano y seis átomos más alejados. No menciona la estructura del germanio.

1. SOLIDOS CRISTALINOS
Miguel Angel Vargas
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
INGENIERIA DE SISTEMAS 4to Ciclo

2. Estructuras Cristalinas
Describir las propiedades y estructuras
cristalinas de :
• Silicio
• Galio
• Germanio

3. SILICIO
• El silicio es un elemento químico metaloide, número
atómico 14 y situado en el grupo 14 de la tabla
periódica de los elementos 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.
• 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
algunos 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.

4. Silicio: Estructura Cristalina
El 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 0,566 nm.
La ilustración de arriba muestra la disposición
de los átomos de silicio en una célula unitaria,
con números que indican la altura del átomo por
encima de la base del cubo, como una fracción
de la dimensión de la celda.

5. Silicio: Propiedades
• 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 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 zeolitas, y de piedras
semipreciosas como el olivino, granate, zircón,
topacio y turmalina.

6. Silicio: Apilcaciones
• 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.

7. Silicio en la industria
• 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 (véase 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.

8. GALIO
NOMBRE: Galio
SIMBOLO: Ga
NUMERO: 31
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.
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.
A otra presión y temperatura se han encontrado numerosas fases
estables y metaestables distintas.
El galio corroe otros metales al difundirse en sus redes cristalinas.

9. Galio: Estructura Cristalina
El galio pertenece al grupo de elementos
metálicos conocido como metales del bloque p
que están situados junto a los metaloides o
semimetales en la tabla periódica. Este tipo de
elementos tienden a ser blandos y presentan
puntos de fusión bajos, propiedades que
también se pueden atribuir al galio, dado que
forma parte de este grupo de elementos.
El estado del galio en su forma natural es
sólido. El galio es un elmento químico de
aspecto blanco plateado y pertenece al grupo
de los metales del bloque p. El número atómico
del galio es 31. El símbolo químico del galio es
Ga. El punto de fusión del galio es de 302,91
grados Kelvin o de 30,76 grados celsius o
grados centígrados. El punto de ebullición del
galio es de 2477 grados Kelvin o de 2204,85
grados celsius o grados centígrados.

10. Galio: Propiedades
• Propiedades atómicas del galio
• La masa atómica de un elemento está determinado por la masa total de neutrones y protones que se puede
encontrar en un solo átomo perteneciente a este elemento. En cuanto a la posición donde encontrar el galio
dentro de la tabla periódica de los elementos, el galio se encuentra en el grupo 13 y periodo 4. El galio tiene una
masa atómica de 69,723 u.
• La configuración electrónica del galio es [Ar]3d10 4s2 4p1. La configuración electrónica de los elementos,
determina la forma el la cual los electrones están estructurados en los átomos de un elemento. El radio medio del
galio es de 130 pm, su radio atómico o radio de Bohr es de 136 pm, su radio covalente es de 126 pm y su radio
de Van der Waals es de 187 pm. El galio tiene un total de 31 electrones cuya distribución es la siguiente: En la
primera capa tiene 2 electrones, en la segunda tiene 8 electrones, en su tercera capa tiene 18 electrones y en la
cuarta, 3 electrones.
• Características del galio:
• A continuación puedes ver una tabla donde se muestra las principales características que tiene el galio.
• Galio
• Símbolo químico Ga
• Número atómico 31
• Grupo 13
• Periodo 4
• Aspecto blanco plateado
• Bloque p
• Densidad 5904 kg/m3
• Masa atómica 69.723 u
• Radio medio 130 pm
• Radio atómico 136
• Radio covalente 126 pm
• Radio de van der Waals 187 pm
• Configuración electrónica [Ar]3d10 4s2 4p1
• Electrones por capa 2, 8, 18, 3
• Estados de oxidación 3
• Óxido anfótero
• Estructura cristalina ortorrómbica
• Estado sólido
• Punto de fusión 302.91 K
• Punto de ebullición 2477 K
• Calor de fusión 5.59 kJ/mol
• Presión de vapor 9,31 × 10-36Pa a 302,9 K
• Electronegatividad 1,81
• Calor específico 370 J/(K·kg)
• Conductividad eléctrica 6,78 106S/m
• Conductividad térmica 40,6 W/(K·m)

11. Galio: Aplicaciones
• El galio es una sustancia plateado blanda y se funde a
temperaturas ligeramente superiores a la temperatura
ambiente. Fue descubierto en 1875 por el químico francés
Paul Emile Lecoq de Boisbaudran. La mayor parte de
producción de galio se produce como un subproducto de la
producción de aluminio o zinc. El galio tiene una amplia
variedad de usos en diferentes industrias. Si alguna vez te
has preguntado para qué sirve el galio, a continuación
tienes una lista de sus posibles usos:
• El uso principal del galio es en semiconductores donde
se utiliza comúnmente en circuitos de microondas y en
algunas aplicaciones de infrarrojos. También se utiliza en
para fabricar diodos LED de color azule y violeta y diodos
láser.
• El galio se usa en las armas nucleares para ayudar a
estabilizar el plutonio.
• Se puede utilizar en el interior de un telescopio para
encontrar neutrinos.
• El galio se usa como un componente en algunos tipos de
paneles solares.
• También se utiliza en la producción de espejos.
• El galinstano que es una aleación de galio, indio y
estaño, se utiliza en muchos termómetros médicos. Este ha
sustituido a los tradicionales termómetros de mercurio que
pueden ser peligrosos. Actualmente se encuentra en
proceso de investigación la sustitución con galio del
mercurio de los empastes dentales permanentes.
• El galinstano se puede aplicar al aluminio de modo que
pueda reaccionar con el agua y generar hidrógeno.
• También tiene muchas aplicaciones médicas. Por
ejemplo, las sales de galio se usan para tratar a personas
con exceso de calcio en su sangre. Los isótopos de galio se
utilizan en medicina nuclear para explorar a los pacientes
en ciertas circunstancias.

12. 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.

13. Germanio: Propiedades
El germanio forma parte de los elementos
denominados metaloides o
semimetales. Este tipo de elementos
tienen propiedades intermedias entre
metales y no metales. En cuanto a su
conductividad eléctrica, este tipo de
materiales al que pertenece el
germanio, son semiconductores.
• El estado del germanio en su forma
natural es sólido. El germanio es un
elmento químico de aspecto blanco
grisáceo y pertenece al grupo de los
metaloides. El número atómico del
germanio es 32. El símbolo químico
del germanio es Ge. El punto de fusión
del germanio es de 1211,4 grados
Kelvin o de 939,25 grados celsius o
grados centígrados. El punto de
ebullición del germanio es de 3093
grados Kelvin o de 2820,85 grados
celsius o grados centígrados.

14. Germanio: Estructura Cristalina
• El germanio es divalente o tetravalente. Los compuestos
divalentes (óxido, sulfuro y los halogenuros) se oxidan o
reducen con facilidad. Los compuestos tetravalentes son
mas estables. Los compuestos organogermánicos son
numerosos y, en este aspecto, el germanio se parece al
silicio.

15. Germanio: 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)

16. Bibliografia
• http://elementos.org.es/germanio
• https://es.wikipedia.org/wiki/Germanio
• https://es.wikipedia.org/wiki/Silicio
• http://www.lenntech.es/periodica/elementos/si.htm
• http://es.wikipedia.org/wiki/Galio
• http://docsetools.com/articulos-para-saber-mas/article_48608.html

17. © 2015 Miguel Angel Vargas