Oferta e procura
Parece que onde quer que você vá hoje em dia há escassez. Há escassez de água, alimentos e drogas. Há falta de enfermeiros qualificados. Há uma escassez crítica de elementos de terras raras de que precisamos em carros híbridos, turbinas eólicas e telas de TV. E, sempre que falta algo de alta demanda, os custos sobem. Em 2014, os preços da gasolina na bomba aumentaram quase 1400% nos 40 anos anteriores. Nas mesmas quatro décadas, os salários dos enfermeiros aumentaram 1.200%. E eu não preciso dizer o que aconteceu com os custos dos alimentos. Graças a Deus, o silício, uma das coisas mais importantes de que precisamos, é também um dos recursos mais abundantes do planeta.
Da próxima vez que você estiver na praia ou nas dunas de areia, pegue um punhado de areia. Cerca de metade do peso da areia que você está segurando é silício. Na verdade, o silício é o segundo elemento mais comum no planeta Terra. Quase 28% da crosta terrestre é composta por silício. Vamos descobrir mais sobre este elemento muito abundante, muito útil e muito barato.
Definindo Silício
O silício (Si) é um dos sete elementos conhecidos como metaloides . Este é apenas um termo extravagante para descrever certos elementos que não se comportam exatamente como metais ou exatamente como não metais. A lista geralmente aceita de metaloides é o silício, germânio, boro, arsênio, antimônio, telúrio e polônio. O silício pode ter propriedades como um metal ou não, dependendo dos outros elementos com os quais ele se combina. O vidro é um composto de silício muito comum que possui qualidades não metálicas, enquanto o silício usado na eletrônica pode ser feito para agir de forma muito semelhante a um metal.
O silício é semelhante ao carbono. Você provavelmente sabe que o carbono é o ingrediente principal na grafite do lápis (ou grafite) ou nos diamantes. O carbono se combina com um grande número de outros elementos e cada composto tem propriedades diferentes. É assim com o silício.
No nível atômico, o silício tem 14 elétrons, 4 dos quais estão na camada externa (o nível de energia mais alto), e se liga prontamente a outros elementos. O silício ocorre na natureza principalmente como dióxido de silício, também chamado de sílica . É encontrada na areia, quartzo, ágata e até opala. A sílica é de longe o composto mais comum encontrado naturalmente na Terra. Esta imagem mostra o átomo de silício e a combinação dos átomos de silício e oxigênio que compõem a sílica. Esta é a estrutura da rede que compõe o quartzo (veja o vídeo).
Multidão de usos do silício
Então, quais são alguns usos do silício?
Uma das propriedades mais importantes do silício é que ele é um semicondutor , o que significa que sua capacidade de conduzir eletricidade é melhor do que um isolante (como o enxofre), mas não tão boa quanto um condutor (como o cobre). Quando o silício puro é infundido com outros elementos (chamados impurezas), como boro ou fósforo, o número de elétrons disponíveis na mistura muda. Este processo é denominado doping .
Por meio do uso de dopagem e da criação de junções entre regiões de silício dopadas de maneira diferente, quase qualquer componente de circuito eletrônico pode ser produzido a partir de silício em um chip de circuito integrado (ou IC). Isso inclui diodos, transistores, resistores, capacitores, isoladores e até mesmo caminhos altamente condutores que podem substituir metais caros como o ouro. Os chips IC são produzidos em uma placa redonda de silício, como a mostrada aqui (veja o vídeo).
O dióxido de silício é o principal ingrediente do vidro. O vidro é feito pela fusão de areia de silício (também chamada de areia de quartzo) com carbono em alta temperatura (até 4000 graus Fahrenheit). Quando o vidro se forma, a mistura libera o carbono e o oxigênio como um gás (monóxido de carbono). O vidro existe há milhares de anos; a primeira fabricação conhecida de vidro foi em 2000 aC na Mesopotâmia (hoje Iraque).
O silício também pode assumir a forma de carboneto de silício. Essa combinação de silício e carbono está em produção desde o século XIX. É virtualmente indestrutível, quase tão duro quanto o diamante e pode suportar as temperaturas mais altas sem derreter. É usado em inúmeras aplicações industriais, incluindo abrasivos, esmerilhamento, polimento, corte, fornos, armadura corporal e indústria aeroespacial.
A capacidade de transportar dados em velocidades muito altas em um feixe de luz revolucionou as comunicações digitais. As fibras ópticas que têm uma fração do tamanho de um cabelo humano em diâmetro podem transportar dados digitais a gigabits (ou bilhões de bits) por segundo. Essas fibras são comumente extraídas de dióxido de silício fundido ou por deposição de vapor com tetracloreto de silício.
O silício é muito importante nas ligas de silício. Uma liga é simplesmente uma mistura de um metal e pelo menos um outro elemento, criada para adicionar resistência ou melhorar o processamento do metal. O aço é um exemplo comum de liga, onde o ferro e o carbono foram combinados. O silício também é comumente combinado com o ferro no processo de fabricação do aço. Na verdade, a liga de ferrossilício é o uso número um de silício no mundo. 80% de todo o silício bruto em todo o mundo vai para esta aplicação.
O silício também é comumente usado na energia solar. O dispositivo eletrônico mais básico construído em silício é o diodo. Uma fina camada de silício dopado com boro é depositada sobre uma base metálica. Outra fina camada de silício é dopada com fósforo e fica por cima. A interface entre essas duas camadas é chamada de junção. Finalmente, outra grade de contatos de metal é depositada em cima dela. O diodo sozinho não pode produzir muita energia elétrica, mas se os fótons de uma fonte de luz chegarem à junção, eles excitarão os elétrons para níveis de energia mais elevados e a corrente poderá fluir do dispositivo.
Você provavelmente já viu fazendas solares com milhares de células solares sendo usadas para gerar energia elétrica. A fazenda solar de 32 megawatts de Long Island, mostrada aqui (veja o vídeo), é o maior conjunto de células solares (164.312 painéis em 200 acres) no leste dos Estados Unidos.
Resumo da lição
O silício é o segundo elemento mais abundante na Terra, perdendo apenas para o oxigênio. Com quatro elétrons em sua camada externa, ele prontamente se combina com o oxigênio para formar dióxido de silício. Este composto, também conhecido como sílica , é a substância mais comum encontrada na crosta terrestre e é o principal ingrediente da areia. O silício é um metalóide , o que significa que ele e outros elementos metalóides têm propriedades que estão entre metais e não metais, dependendo de com o que se combinam.
Há uma grande variedade de usos do silício. É um semicondutor , o que significa que conduz eletricidade melhor do que um isolante, mas não tão bem quanto um metal. Nessa função, tornou-se o esteio da fabricação de circuitos integrados (IC). Quando o silício passa por um processo de dopagem , ele é infundido com outros elementos, como fósforo ou boro, para alterar suas propriedades elétricas. O doping, junto com a criação de junções elétricas entre regiões de silício dopadas de forma diferente, significa que quase qualquer dispositivo eletrônico necessário em um IC (diodos, transistores, resistores, capacitores, condutores ou isoladores) pode ser feito com silício. E, quando as junções de silício são expostas à luz, podem até produzir eletricidade (como nas células solares).
O dióxido de silício é o principal componente do vidro comercial e também é usado na fabricação de fibras ópticas para comunicações. O carboneto de silício é um composto milagroso quase tão duro quanto o diamante e tem várias aplicações comerciais, incluindo abrasivos e armaduras corporais. Finalmente, o silício se combina com os metais para formar ligas; um bom exemplo é o ferrossilício, usado na fabricação de aço.