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Alla scoperta del Silicio

UN MINERALE ASSOLUTAMENTE NECESSARIO DA SEMPRE UTILIZZATO DALL’UOMO

Elemento chimico della tavola degli elementi con simbolo “Si” e numero atomico 14

(Assisi PG, 25/06/2024)

UN MINERALE ASSOLUTAMENTE NECESSARIO

DA SEMPRE UTILIZZATO DALL’UOMO

Introduzione

Il silicio o selce, minerale che ha accompagnato la vita dell'uomo sin dall'antichità e che stupisce ancora oggi per la sua estrema duttilità e per la sua utilità, disponibile in grande abbondanza sulla terra (il secondo dopo l'ossigeno), é uno dei protagonisti del progresso informatico. Per le sue caratteristiche presenta proprietà chimico fisiche, a cavallo fra i metalli ed i non metalli (metallo, semimetallo e metalloide), presenta una estrema duttilità di impiego e viene utilizzato in numerosi settori della nostra vita quotidiana. Il silicio ha accompagnato la storia dell'umanità fin dalle sue lontane origini: é proprio sulla base di come lavoravano le rocce silicee, i silex (le selci), che é stato valutato il grado di evoluzione dei primi ominidi, apparsi sulla terra circa 2,5 milioni di anni fa. Ed il vetro, la più antica materia sintetica che l'uomo abbia saputo elaborare, é costituito essenzialmente di silicio, un prodotto, probabilmente nato in Egitto o in Mesopotamia più di 5 mila anni fa. Il silicio o diossido di silicio é un composto chimico, rappresentato dalla formula SiO2, numero atomico 14, che combina i due elementi più abbondanti della crosta terrestre. Di tutte le sue forme cristalline (quarzo, tridimite (1), cristobalite (2), …) il quarzo risulta la più conosciuta e soprattutto la più diffusa, fatto che lo rende il minerale più abbondante della crosta terrestre. Esso é il costituente comune delle rocce magmatiche intrusive, chiamate in passato rocce Sialiche (rocce contenenti in maggioranza silicio o alluminio). E' l'omologo del Carbonio e chimicamente é un metalloide (proprietà chimico-fisiche a cavallo fra i metalli ed i non metalli , Allo stato solido é un semiconduttore, mentre il carbonio é un isolante. Ma tutto questo non significa che esso sia sempre utilizzabile e valorizzabile. La “silice”, termine impiegato nell'industria, designa, da un lato il quarzo sotto la forma di pietre o selci e dall'altro le sabbie silicee, che costituiscono i due terzi della produzione mondiale di silicio.

Mineralogia, geologia, giacimenti

Il quarzo é un minerale molto abbondante, inalterabile e resistente, si presenta in numerose rocce, sia in cristalli e grani millimetrici dispersi come nelle sabbie, sia saldato insieme in masse, a volte considerevoli. I giacimenti di silicio più frequenti sono rocce mobili: essenzialmente sabbie molto ricche di quarzo (spesso con più del 95% di grani di quarzo), dette silicee o extrasilicee, derivate generalmente da antiche dune litorali e, meno frequentemente, da pietrisco di quarzo, derivato da terrazzamenti alluvionali, da vecchi letti di fiumi e da cordoni litorali, o, ancora, da pietre di selce accumulate ai piedi di scogliere gessose. I giacimenti in roccia dura risultano decisamente più rari: essi sfruttano, sia sabbie indurite da milioni di anni e diventate gres e quarziti (3), sia filoni di quarzo hyalino o ialino, il cristallo di roccia, trasparente e di una rimarchevole (più del 99% di silicio) purezza. Esistono, inoltre, in natura anche giacimenti denominati Sinter, ovvero depositi di gres derivati da sorgenti di acque calde. Nel caso specifico, centinaia di milioni di anni fa una sorgente di acqua calda sgorgata su terreni posti in pendenza, ha deposto lungo le pendici silice disciolta, in quantità tale da formare una cappa di silicio a volte lunga diversi chilometri.

Produzione ed utilizzazione

Il quarzo, che costituisce una delle 19 fasi cristalline della silice, cumula una forte refrattarietà (fonde a 1.600 gradi), una inerzia chimica ed un buon potere isolante, ma esso é anche piezoelettrico (4), proprietà che ne fanno un materiale industriale fondamentale in numerosi settori industriali. L'industria del vetro e le fonderie sono in tale contesto fortemente dipendenti dalla disponibilità di sabbie silicee, di cui consumano, rispettivamente il 25% ed il 20% della produzione mondiale. Il silicio é, in effetti, il componente principale di quasi tutti i tipi di vetro (un vetro é composto in media dal 65% di silicio, ma esistono peraltro grandi disparità nella produzione): dagli immobili in vetro ed acciaio, alle bottiglie, passando per gli schermi. Il calcino (vetro riciclato) rimpiazza oggi, sempre in maggiore misura, le materie prime “nuove”. In fonderia, il silicio viene largamente impiegato nella fabbricazione degli stampi che ricevono il metallo in fusione per confezionare i pezzi di ricambio, fra gli altri, delle industrie meccaniche ed aeronautiche. La polvere di silicio costituisce un materiale di carica impiegato nell'industria ceramica (stoviglie, sanitari, smalti, pavimentazione, mattoni refrattari …) per rinforzare la resistenza all'abrasione, come anche nelle pitture, caucciù, mastici, colle e fibre di vetro, lane di vetro per l'isolamento termico e fonico, ecc. Nelle costruzioni, le sabbie e farine di silicio servono per fabbricare i cementi cellulari e come correttori di sabbie per cemento. Le sabbie silicee vengono utilizzate anche filtri di acque usate (consumate) e di fluidi industriali, nella incinerazione dei fanghi delle stazioni di depurazione, sui terreni d'equitazione ed i campi di corsa. I blocchi silicei ed il pietrisco di quarzo di grande purezza risultano alla base della filiera del silicio nell'industria chimica: essi servono a fabbricare silicio metallico, silicati di sodio, gel di silicio, siliconi, tetracloruro di silicio, silani (idruri di silicio 5), ferrosilicio, abrasivi industriali come il carborundum (o carburo di silicio, SiC), ecc. Il silicio metallico serve nell'industria elettrometallurgica per fabbricare leghe a base di alluminio, di rame e di nickel per le culatte, i pistoni, cerchioni, protesi, cellule fotovoltaiche. Il silicio metallico viene ottenuto per carboriduzione del quarzo ad alta temperatura. Per quanto concerne il ferro silicio (7,1 milioni di tonnellate consumate nel 2018) esso viene assorbito per il 70% dalla siderurgia ed il 20% dalla fusione del ferro. Alcune applicazione di alta tecnologia richiedono un quarzo di grande purezza (più del 99,9% di Silicio), denominata qualità elettronica; Queste caratteristiche, presenti come impurezze in altri elementi, servono per produrre il vetro per uso fotovoltaico, i componenti elettronici (semiconduttori, supporto dei microchip) o cristalli di silicio di grandi dimensioni per l'industria spaziale, l'ottica e l'elettronica. Il quarzo é altresì impiegato in informatica e nell'orologeria per le sue proprietà piezoelettriche. Infine i prodotti a base di silicio vengono utilizzati nella produzione di detergenti, di prodotti farmaceutici e di cosmetici. In definitiva, il quarzo é all'origine di migliaia di prodotti, dalla proteina mammaria al microprocessore. La produzione mondiale di silicio si colloca in questi ultimi anni fra i 290 ed i 353 milioni di tonnellate annuali, di cui il 67% é costituita da sabbie silicee, ma rimane difficile da determinare con esattezza, anche perché le statistiche contabilizzano parzialmente la sabbia da costruzione e perché la Cina e la Russia non forniscono dati ufficiali dal 2011. Il mercato globale del silicio rappresentava 21,6 miliardi di dollari nel 2022 con grandi gruppi: Chongqing Changjiang River Moulding Material (Cina), Covia Holdings LLC, Badiger Mining, Premier Silica e Fairmont Minerals (USA), Sibelco, Imerys (Francia), ecc.

NOTE

(1) Tridimite. Questo minerale viene chiamato tridimite perché generalmente si presenta in cristalli trigeminati. Il minerale si presenta anche in forme tabulari; si forma a temperature comprese tra gli 870 °C ed i 1470 °C. Il processo di formazione è assai lento. 

(2) Cristobalite viene ottenuta attraverso la calcinazione, a 1600 gradi o a 900 gradi, direttamente da materiale in forma bruta, proveniente da depositi di silex litorali, liberati da scogliere di gesso;

(3) In genere il fenomeno della formazione di questi giacimenti segue il seguente schema. Il deposito di sabbie silicee, posto al di sopra di una falda freatica, assorbe col tempo, umidità dalla stessa, che si propaga fin sulla superficie. L'evaporazione dell'acqua superficiale sulla cima della duna, per effetto del calore, innesca un processo di di indurimento o di gresificazione dello strato superficiale della stessa;

(4) Piezoelettricità. Proprietà di alcuni materiali cristallini di polarizzarsi, generando una differenza di potenziale elettrico quando sono soggetti a una deformazione meccanica (effetto piezoelettrico diretto) e al tempo stesso di deformarsi in maniera elastica quando sono sottoposti ad una tensione elettrica (effetto piezoelettrico inverso o effetto Lippmann). Questo effetto piezoelettrico si manifesta solo lungo una determinata direzione, e le deformazioni a esso associate sono dell'ordine del nanometro.

(5) Silani. Composti binari di silicio ed idrogeno. Esistono numerose applicazioni industriali e mediche per i silani. Per esempio, i silani sono usati come agenti di accoppiamento per far aderire le fibre di vetro alla matrice di un polimero, stabilizzando il composito (materiale eterogeneo composto da due o più fasi con proprietà fisiche diverse, le cui proprietà risultano migliori delle fasi che lo costituiscono. Possono anche essere usati per accoppiare uno strato biologicamente inerte su una protesi di titanio.