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Se describe profundamente los compuestos del silicio. Desde lo que los forma hasta los mas extensos detalles.
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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La química de los compuestos de silicio, El silicio es un elemento químico metaloide o semimetálico cuyo símbolo es "Si" su número atómico es 14, pertenece al grupo 14 (IVA) de la tabla periódica de los elementos y forma parte de la familia de los carbonoideos. Es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre después del oxígeno. Los compuestos del silíceo fueron ya de gran importancia en la prehistoria Las herramientas y las armas hechas de pedernal; una de las variedades del dióxido de silicio fueron los primeros utensilios del hombre Aunque Davy creyó que la sílice no era un elemento, no pudo descomponerlo. En 1823 Berzelius obtuvo silicio amorfo al hacer reaccionar tetrafluoruro de silicio sobre potasio fundido. Al lavar el producto con agua, obtuvo un polvo pardo que era silicio amorfo.
Conocer y diferenciar los conceptos de silicio, de sílice, de los silicatos, etc. Observar las diferentes distinciones acerca sobre el silicio y sus compuestos relacionados. Conocer los aluminosilicatos que se emplean como materiales cementantes.
Resumen.............................................................................................................................................................................. Objetivos.............................................................................................................................................................................. Introducción......................................................................................................................................................................... Conceptos básicos................................................................................................................................................................ Silicio y su obtención........................................................................................................................................................ SILICATOS............................................................................................................................................................................. Clasificación de los Silicatos................................................................................................................................................. SÍLICE................................................................................................................................................................................... Composición del vidrío......................................................................................................................................................... Fabricación del vidrio........................................................................................................................................................... Siliconas............................................................................................................................................................................... Cementos............................................................................................................................................................................. Clinker.............................................................................................................................................................................. Puzolanas Figura. 9.......................................................................................................................................................... Conglomerados................................................................................................................................................................ Silicato tricálcico (C 3 S)...................................................................................................................................................... Silicato dicálcico (C 2 S)....................................................................................................................................................... Aluminato tricálcico (C 3 A)................................................................................................................................................ Ferrito aluminato tetracálcico (C 4 AF)............................................................................................................................... Fraguado y endurecimiento................................................................................................................................................. Fraguado.......................................................................................................................................................................... Endurecimiento................................................................................................................................................................ Reacciones del fraguado y endurecimiento del cemento.................................................................................................... Reacciones del fraguado.................................................................................................................................................. Endurecimiento del cemento........................................................................................................................................... Importancia de estudiar los compuestos de silicio en la industria de la construcción......................................................... Conclusión............................................................................................................................................................................ Referencias..........................................................................................................................................................................
El silicio es un elemento químico metaloide, numero atómico de color gris, brillante, y situado en el grupo de la tabla periódica, perteneciente a la familia del carbono, con los puntos de fusión y ebullición elevados. Es el segundo elemento en abundancia en la corteza terrestre (26% de la masa) y se suele encontrar combinando como sílice y silicatos. Su obtención se puede llevar acabo por reducción de la sílice con conque a elevada temperatura: Figura. SiO 2 (s) + 2C (s) → Si (l) + 2CO (g). El silicio obtenido se llama GM (grado metalúrgico) que se usa para elaborar hierro y acero resistentes a la corrosión. Si se eliminan impurezas hasta estas sean inferiores a 10-9^ se les llama GE (grado electrónico), empleado a la tecnología de semiconductores. El silicio forma hidruros covalentes denominadores silianos (SinH2n), más reactivos que los homólogos de carbono. No se conocen hidruros de silicio con doble o triple enlace. Desde el punto de vista el químico, el silicio no reacciona con los ácidos, pero si con una mezcla de HNO 3 y HF: Figura. 2 Si + 4HNO 3 + 6HF →^ H 2 SiF 6 + 4NO 2 + 4H 2 O Además el silicio que presenta cada uno de sus átomos enlazados tetraédricamente a otros 4 átomos de silicio, se disuelven en disoluciones alcalinas originando los correspondientes metasilicatos1, reacciona a elevada temperatura con metales muy reductores, y con los halógenos forma halogenuros
Grupo de las micas: la sustitución en el grupo de talco de1/4 de los Si4+^ por Al3+^ , en posiciones tetraédricas, origina un exceso de carga negativa que que es compensada por iones K+, externos de las láminas, resultando de esta forma las micas. Grupo de la montmorillonita: las sustituciones isomorfas en láminas del tipo pirofilita o talco, pueden tener lugar también en posiciones octaédricas. Así, la sustitución en la pirofilita de 1/6 de los aluminios por magnesios conduce a la montmorillonita, que es componente de la arcilla de los suelos. Grupo de la caolinita: si una capa de los tetraedros SiO 4 4-^ se une a una capa de hidrargillita Al (OH) 6 3-, a través de los oxígenos de los grupos tetraédricos SiO 4 4-, y de los hidroxilos de los grupos octaédricos Al (OH) 6 3-, nos resulta una lámina de caolinita, 2SiO 2 -Al 2 O 3 -2H 2 O, que es un componente de la arcilla de los suelos y forma yacimientos en los que recibe el nombre de caolín. Silicatos de redes tridimensionales: los grupos tetraédricos SiO 4 4-^ se unen covalentemente entre sí, constituyendo una estructura tridimensional que es la sílice (SiO 2 ). Los feldespatos son especies mineralógicas características de los silicatos con redes tridimensionales resultantes de las sustituciones isomorficas de Si4+^ de la sílice por Al3+, en posiciones tetraédricas. Las láminas de feldespatos se encuentran unidas a través de los 4 tetraedros que forman un anillo cuadrado. Los feldespatos son los minerales más importantes constituyentes de las rocas ígneas, los cuales por acción de los agentes erosivos se transforman en caolinita, montmorillonita… Dentro de los feldespatos se tiene la ortoclasa (KAISi 3 O 8 ), la albita (NaAlSi 3 O 8 ), la anortita (CaAl 2 Si 2 O 8 )… Si las cavidades de las estructuras tetraédricas son bastante mayores que en los feldespatos se tienen las zeolitas, en las que además de los cationes, pueden alojarse moléculas de agua. El elemento estructural de las zeolitas consiste en un conjunto de 24 tetraedros que comparten, con 3 contiguos, 3 de sus vértices.
Sílice es el nombre dado a un grupo de minerales compuestos de silicio y oxígeno, los dos elementos más abundantes en la corteza terrestre. La forma más frecuente de presentación es en forma cristalina, y más raramente en estado amorfo. La sílice es un componente básico de la tierra, arena, granito, mármol y muchos otros minerales. La sílice existe en diferentes formas, cristalina y amorfa. El cuarzo es la forma más común de la sílice cristalina, también podemos encontrarla en forma de cristobalita y de tridimita, estas dos últimas más dañinas. Por el contrario, la sílice amorfa está considerada como de baja toxicidad. Cuando se elaboran materiales en cuya composición interna existe sílice cristalina se genera polvo en el ambiente laboral que puede ser respirado por los trabajadores. Esta fracción respirable puede penetrar profundamente en los pulmones y tras exposiciones prolongadas a niveles elevados de este agente puede dar lugar a efectos irreversibles en la salud, incluidas neumoconiosis como la silicosis, así como un empeoramiento de otras enfermedades pulmonares. Tipos de sílices Existen varios tipos de sílice, entre los que se encuentran: Sílice cristalina La forma de sílice cristalina se presentan principalmente en cuatro formas: cuarzo, cristobalita, tridimita y trípoli, siendo la primera la más abundante. La sílice cristalina es un compuesto mineral que se encuentra en forma abundante en rocas, suelo y arena, constituido por un átomo de silicio y dos átomos de oxígeno (SiO 2 ). El dióxido de silicio puede encontrarse en estado amorfo o cristalino. También se encuentra en el hormigón, ladrillo, cemento y en otros materiales para la construcción. La sílice cristalina puede presentarse en varias formas, el cuarzo es la más común; es tan abundante, que en general se usa cuando se habla de sílice cristalina. La cristobalita y la tridimita son otras dos formas de la sílice cristalina, se encuentra en el suelo y en rocas, y se producen en operaciones industriales cuando el cuarzo o
Fi g ur a. 5 Figura. 6 Es importante tener en cuenta que en la actualidad (2012) tanto en las guías del INSHT español como en la guía de la ACGIH americana sólo se presentan los TLVs del cuarzo y de la cristobalita; el resto (tridimita, trípoli y tierra de diatomeas) se han retirado debido a la insuficiencia de datos de exposición a estas sustancias. La exposición laboral se controla midiendo sus concentraciones en el ambiente. El TLV de exposición profesional –fracción respirable- admitido en el lugar de trabajo en España es de:
incidencia de enfermedades extra pulmonares (artritis reumatoide, esclerodermia, otras enfermedades autoinmunes y enfermedad renal no maligna). Con respecto a su relación con el cáncer, en la guía española del INSHT figura con la anotación (y): Reclasificado, por la International Agency for Research on Cancer (IARC) de grupo A (probablemente carcinogénico en humanos) a grupo 1 (carcinogénico en humanos). Sin embargo, en la guía de la ACGIH americana figura con la anotación A2 (probable carcinógeno humano). Esta controversia en relación con el cáncer la analizaremos en los próximos días (incluso existen publicaciones que ponen en duda la evolución a cáncer). No existen parámetros biológicos de exposición. La radiografía de tórax y las pruebas de función pulmonar son esenciales para el seguimiento de la exposición. Sílice precipitada Es una forma sintética, blanca y amorfa de dióxido de silicio; con la misma composición química que la arena, SiO 2. Sus características están determinadas por su distribución de tamaño de partícula, porosidad, superficie específica y pureza. Es un material sintético de múltiples aplicaciones, imprescindible en ámbitos tan dispares como los productos farmacéuticos o los neumáticos ecológicos. La sílice precipitada convencional está disponible en diferentes áreas superficiales. Los tipos de baja área superficial se procesan rápido y dan un buen refuerzo tensil al compuesto. Al incrementarse el área superficial se mejora la resistencia a la abrasión y al corte y la viscosidad aumenta
Punto de deformación: por debajo de la temperatura correspondiente el vidrio se comporta elásticamente. La viscosidad es de 3:10ˆ14 poises. Para que un oxido puro de lugar a la formación de vidrios ha de cumplir las siguientes condiciones:
o ZnO: corrige las burbujas gaseosas. o PbO: comunica mayor densidad, índice de refracción y brillo. Fundentes: mejoran la unión entre las bases y los vitrificantes. Modifican la fusión y la viscosidad. Los principales fundentes son el Na CO₂O₃: P₂O₅: AS₂O₃: AS₂O₅: GEO₂: ₃: P₂O₅: AS₂O₃: AS₂O₅: GEO₂: y el K CO .₂O₃: P₂O₅: AS₂O₃: AS₂O₅: GEO₂: ₃: P₂O₅: AS₂O₃: AS₂O₅: GEO₂: Elementos accesorios: influyen sobre el color (óxidos de Ni, Co, Se) y mejoran el afinado y la fusión (óxidos de As, Sb, Al). Elementos parásitos: gases disueltos (H , CO …) que aumentan la fluidez del₂O₃: P₂O₅: AS₂O₃: AS₂O₅: GEO₂: ₂O₃: P₂O₅: AS₂O₃: AS₂O₅: GEO₂: vidrio.
Figura. 8 Los silicones tienen una amplia variedad de usos. Los silicones líquidos son más estables que los hidrocarburos oleosos. Además, su viscosidad cambia poco con la temperatura, mientras que la viscosidad de los hidrocarburos oleosos sufre grandes cambios con la temperatura. Por lo tanto, los silicones se utilizan como lubricantes y en todos los usos que demandan fluidos inertes; por ejemplo, en los sistemas de frenos hidráulicos. Los silicones son muy hidrofóbicos (no se humedecen); por consiguiente, se utilizan en la elaboración de aerosoles repelentes al agua para zapatos y otros artículos como: Sellador. Industria automotriz. Medicina. Utensilios de cocina. Limpieza en seco. Electrónica. Y otros uso.
Son conglomerantes hidráulicos que constituye una mezcla homogénea obtenida por machacado de Clinker con baja adición de yeso (CaSO 4 *2H 2 O) para regular el tiempo de fraguado, haciéndolo más lento. Según el número de componentes y las proporciones de la mezcla se obtienen los diferentes cementos.
Producto obtenido al calcinar, hasta fusión parcial, mezclas artificiales muy íntimas preparadas, dosificadas a partir de materias calizas y arcillosas convencionalmente. El Clinker está compuesto por: Silicato tricálcico: de 40 a 60% Silicato bicálcico : de 20 a 30% Aluminato tricálcico: de 7 a 14% Ferrito aluminato tetracálcico: de 5 a 12%.
Producto natural de origen volcánico, capaz de fijar cal a la temperatura ambiente y formar compuestos hidráulicos. Existen dos tipos de puzolanas Puzolanas naturales: son cenizas volcánicas de actividades volcánicas geológicamente recientes. Puzolanas artificiales: son el resultado de diversos procesos industriales y agrícolas, generalmente como subproductos. Las puzolanas artificiales más importantes son arcilla cocida, cenizas de combustible pulverizado (pfa), escoria de altos hornos granulada y molida (ggbfs) y ceniza de cascara de arroz (RHA). Figura. 10
Productos que amasados con agua fraguan y endurecen sumergido en: Silicato tricálcico
3CaO*SiO 2 con pequeñas cantidades de Al 2 O 3 en disolución sólida. La alita (C 3 S) es la responsable de la formación de silicatos hidratados en el Clinker. Se caracteriza por una elevada velocidad de hidratación (fraguado), así como una elevada capacidad exotérmica. Por esta razón los cementos con elevado contenido de silicatos tricálcicos se denominan: calientes. Los cementos obtendrán rápidamente las características resistentes. Su inconveniente es la generación de cantidades de cal y de cambios de volumen debidos a la dilatación térmica causada por el calor de hidratación.
Inicio del Fraguado.- Cuando la aguja no penetra más de 25 mm en la pasta. Se recomienda que una vez iniciado el fraguado el cemento ya debe estar totalmente colocado y no debe moverse de su lugar, ya que se originaran fisuras. Fin del Fraguado.- Cuando la aguja no deja marcas e la superficie de la pasta. Cuando el cemento y el agua entran en contacto, se inicia una reacción química exotérmica que determina el paulatino endurecimiento de la mezcla. Figura. 11 Dentro del proceso general de endurecimiento se presenta un estado en que la mezcla pierde apreciablemente su plasticidad y se vuelve difícil de manejar; tal estado corresponde al fraguado inicial de la mezcla. A medida que se produce el endurecimiento normal de la mezcla, se presenta un nuevo estado en el cual la consistencia ha alcanzado un valor muy apreciable; este estado se denomina fraguado final. La determinación de estos dos estados, cuyo lapso comprendido entre ambos se llama tiempo de fraguado de la mezcla, es muy poco precisa y sólo debe tomarse a título de guía comparativa. El tiempo de fraguado inicial es el mismo para los cinco tipos de cemento enunciados y alcanza un valor de 45 a 60 minutos, el tiempo de fraguado final se estima en 10 horas aproximadamente. En resumen, puede definirse como tiempo de fraguado de una mezcla determinada, el lapso necesario para que la mezcla pase del estado fluido al sólido. Así definido, el fraguado no es sino una parte del proceso de endurecimiento. Es necesario colocar la mezcla en los moldes antes de que inicie el fraguado y de preferencia dentro de los primeros 30 minutos de fabricada. Cuando se presentan problemas especiales que demandan un tiempo adicional para el transporte del concreto de la fábrica a la obra, se recurre al uso de “retar dantes” del fraguado, compuestos de yeso o de anhídrido sulfúrico; de igual manera, puede acelerarse el fraguado con la adición de sustancias alcalinas o sales como el cloruro de calcio.
El endurecimiento del concreto depende a su vez del endurecimiento de la lechada o pasta formada por el cemento y el agua, entre los que se desarrolla una reacción química que produce la formación de un coloide “gel”, a medida que se hidratan los componentes del cemento. La reacción de endurecimiento es muy lenta, lo cual permite la evaporación de parte del agua necesaria para la hidratación del cemento, que se traduce en una notable disminución de la resistencia final. Figura. Es por ello que debe mantenerse húmedo el concreto recién colado, “curándolo”. También se logra evitar la evaporación del agua necesaria para la hidratación del cemento, cubriendo el concreto recién descimbrado con una película impermeable de parafina o de productos especiales que se encuentran en el mercado desde hace varios años. El endurecimiento del cemento se inicia una vez que se inicia el fraguado del cemento, la ganancia en resistencia (medida del endurecimiento) es progresiva según avanza el grado de hidratación del cemento. Como se ha mencionado el proceso de hidratación continúa siempre y cuando haya agua disponible y existan las condiciones climáticas adecuadas, esto no significa que todos los granos de cemento se hidraten, sin embargo los granos no hidratados no perjudican la resistencia alcanzada. Entonces, el endurecimiento del cemento es consecuencia de la hidratación del mismo. El endurecimiento o ganancia de resistencia del cemento hidratado se puede verificar con diversas técnicas, entre ellas tenemos las siguientes: Medición del calor generado Determinación de la cantidad de cal liberada [Ca (OH) 2 ] Determinación de la cantidad de cemento no hidratado (análisis cuantitativo de rayos x)
