Silicio (Si) ed acqua

Il che modo ed in che forma il silicio reagisce con l'acqua?

Il silicio non si trova mai in natura in forma libera. In forma cristallizzata è reattivo solamente in condizioni di temperature estremamente elevate. Acqua e vapori d'acqua probabilmente hanno una limitata influenza sulla solubilità del silicio, in quanto si forma rapidamente uno strato superficiale protettivo di biossido di silicio.
Esistono molti esempi di composti di silicio che reagiscono con l'acqua. Il tetrafluoruro di silicio reagisce con l'acqua in fluoruro di idrogeno. Il tetra fluoruro di silicio reagisce con l'acqua piuttosto violentemente. I silicidi del primo e del secondo gruppo sono generalmente più reattivi rispetto ai metalli di transizione. Prodotti tipici di reazione includono idrogeno e/o silani (SiH4), per esempio Na₂Si + 3H₂O -> Na₂SiO₃ + 3H_2.

Solubilità di silicio e composti di silicio

I composti di silicio differiscono in solubilità dell'acqua.
L'ossido di silicio è relativamente insolubile se confrontato con altri minerali. A seguito di dissoluzione si sviluppa la seguente reazione di equilibrio:

SiO₂(s) + 2 H₂O(l) <-> H₄SiO₄(s)

Tale bilancio contiene acidi silicici, un acidi debole che si forma anche durante l'idrolisi del silicio minerale:

H₄SiO₄(s) + H₂O(l) <-> H₃O+(aq) + H₃SiO₄^-(aq)

L'idrossido di silicio ha una solubilità nell'acqua pari a 0,12 g/L, mentre per esempio il carburo di silicio è insolubile in acqua.

Perchè il silicio è presente in acqua?

Come precedentemente spiegato, il silicio è parte di diversi minerali, dai quali può essere rilasciato durante i processi di erosione. E' anche rilasciato sott'acqua durante l'attività vulcanica. L'acqua contenuta negli interstizi di sedimenti marini contiene più silicio rispetto alla superficie marina. Le correnti presenti causano il passaggio del silicio dai sedimenti all'acqua marina. Anche l'erosione antartica rilascia silicio. Esso è rimosso naturalmente dalle acque, attraverso la fissazione del fitoplancton, la sedimentazione, o le reazioni del silicio dissolto con i minerali di argilla (erosione inversa).
La sabbia è la sostanza primaria per la produzione di silicone sintetico. Anche minerali quali talco, mica, feldspati, nefelina, olivina, vermiculite, perlite e caolinite contengono silicio. Anche gemme quali ametista ed opale contengono silicio.
Il materiale da costruzione contiene composti di silicio in sabbia e cemento, un silicato di calcio. La produzione di vetro e porcellana è basata sulla sabbia.
Il silicio è usato come additivo nell'industria dell'acciaio, chimica ed elettronica, dove viene processato ad elevate temperature. Acciaio ed altre leghe sono eventualmente processate per esempio in blocchi di motore o teste di cilindro.
Composti di silicio significativi dal punto di vista industriale sono composti simili a gomma o resina, che sono generalmente resistenti all'acqua e inoltre sopportano processi di ossidazione ed erosione chimica. Essi sono usati come lubrificanti ad alte pressioni, come sigilli per finestre, soffitti e tubazioni, in tubi per l'acqua ed in parti in plastica per motori di automobili.
Oli di silicio sono usati in cosmetici e per l'impregnamento dei tessuti. Nei microchip questo elemento è un semiconduttore, come nei transistor ed in altre parti elettroniche.
I pannelli solari consistono di n-semiconduttori di silicio ed arsenico e semiconduttori p- di silicio e boro. Si trova in forma elementare nelle lenti degli occhiali ed in prismi di luci infrarosse.
Il carburo di silicio è quasi duro come il diamante e viene usato come abrasivo. I cristalli di quarzo che esistono naturalmente sono prodotti chimicamente ed hanno la stessa caratteristica di vibrare a frequenze esatte, quando sono aggiunte ad agenti per la pulizia, colla e agenti sbiancanti per tessuti.
Zeolite e silicio sono usati per la regolazione di schiuma nei detersivi. Essi influenzano direttamente la qualià dell'acqua. Altri composti di silicio possono essere usati come assorbenti.

Quali sono gli effetti ambientali del silicio in acqua?

Il biossido di silicio è necessario per la dieta di vari organismi. Il meccanismo di assimilazione è attualmente poco chiaro. Diatomee e spugne marine usano il silicio per rinforzare il proprio scheletro. Anche i piccoli peli sulle ortiche sono fatte di silicio. Ratti e galline necessitano di silicio per lo sviluppo delle ossa. E' molto probabile che il silicio sia un elemento necessario per la dieta degli esseri umani, dal momento che pelle e tessuto connettivo contengono significative quantità di questo elemento. Il silicio è anche un elemento essenziale per la crescita delle piante. Varie specie di piante contengono circa 200-62.000 ppm (massa secca) di silicio. Piante come dandelie e bamboo contengono silicio in stemi e foglie, aumentandone la stabilià. Il silicio è generalmente non dannoso quando presente in acqua, dal momento che è naturalmente presente in elevate quantità. Concentrazioni particolarmente elevate possono limitare la crescita delle alghe. Organismi acquatici possono essere affetti da zeolite, un sostituente del fosfato nei detersivi.
Il silicio ha tre isotopi naturali che sono tutti non radioattivi. Attualmente conosciamo l'esistenza di sette isotopi instabili.

Quali sono gli effetti del silicio in acqua?

Il corpo umano contiene una quantità totale di 1 g di silicio, che diminuisce con l'avanzare dell'età. Per un certo numero di organismi il silicio è un componente della dieta, e di conseguenza è considerato anche un elemento necessario per gli esseri umani. Gli organismi hanno principalmente bisogno di silicio per lo sviluppo delle ossa, mentre l'elemento si trova principalmente in pelle e tessuti connettivi. L'assunzione giornaliera si aggira tra 20 e 1200 mg, ed è principalmente contenuto nel grano di cui ci nutriamo. Non sono noti casi di mancanza di silicio.
Tutti i tipi di silicio che si trovano in natura, sabbia e composti di silicio non sono tossici. Il silicio elementare non ha alcun chiaro meccanismo di tossicità. Elevate concentrazioni di composti di silicio solubili possono creare disturbi alla fosforizzazione. Alcuni composti di silicio hanno una tessitura tipo fibra e sono cancerogeni, per esempio l'amianto. Particelle fini di composti di silicio possono causare la silicosi, una malattia legata alla professione, che colpisce per esempio minatori e lavoratori di pietra. Gli alveoli polmonari si induriscono e la loro flessibilità si riduce. Questo provoca mancanza di respiro, asma e tosse. La sola inalazione di particelle di silicio può causare questi effetti. Innesti di silicio nel seno possono causare disordini immunitari e persino cancro. Non esiste comunque alcuna prova scientifica che sostenga quanto affermato. Il silicio è presente in pastiglie per lo stomaco per trattare coliche e gas intestinali. Un certo numero di composti di silicio, come gli alogeni di silicio, sono corrosivi ed estremamente tossici. Il silicio tetraclorido è un irritante per gli occhi, e può anche causare problemi di respirazione ed irritazione della pelle. Nell'acqua potabile è presente solo silicio acidico, che è relativamente sicuro.

Quali tecnologie di purificazione dell'acqua possono essere usate per rimuovere il silicio dall'acqua?

Il silicio è prevalentemente presente in acqua potabile come silicio acido e non deve essere rimosso per tutelare la salute umana. I composti di silicio possono essere usati come assorbenti nella depurazione dell'acqua.

Bibiliografia e altri elementi e loro interazione con l'acqua