Els empèdocles moderns – Jöns Jakob Berzelius (1824) i l’element 14 (Si) – silici (nilunquadi, Nuq)

Si observem els vuit planetes principals del nostre Sistema Solar, contrastem dues grans menes: els planetes gegants gasos (Júpiter, Saturn, Urà i Neptú) i els planetes nans rocallosos (Mercuri, Venus, Terra i Mart). Els primers orbiten en el Sistema Solar Exterior, mentre que els segons defineixen el Sistema Solar Interior. Hom coneix tradicionalment els primers planetes com a “jovians”, en referència a Júpiter com a planeta típic; els segons reben el nom de “terrestres”, en referència al nostre planeta. Júpiter té una massa de 1,8986•1027 kg i un volum de 1,4313•1024 m3, la qual cosa ens dóna una densitat de 1326 kg•m-3. Però aquesta densitat és la densitat mitjana. Hom ha postulat l’existència d’un nucli rocallós de composició incerta, i que suposaria tan sols entre un 4% i un 14% de la massa planetària. Damunt d’aquest nucli s’hi disposaria un mantell d’hidrogen metàl•lic en estat líquid, amb algunes quantitats d’heli i, ja molt menors, d’altres elements. Ço que veiem de Júpiter són les capes superiors de l’atmosfera; l’atmosfera joviana té un gruix de 5000 km; hom hi ha postulat l’existència de pluges d’heli i de neó en les capes més fondes; es tracta d’una atmosfera d’hidrogen, dissolt en el qual cristalls d’amoníac, de vapor d’aigua i d’altres compostos volàtils nucleen una complexa capa superior de núvols tempestuosos. La Terra, d’altra banda, té una massa de 5,97219•1024 kg i un volum de 1,08321•1021 m3, amb una densitat de 5,515 kg•m-3. Aquest valor de densitat, ja estimat per Henry Cavendish en el seu moment, contrasta amb el de la densitat típica de l’escorça (vora 2800 kg•m-3), compensada per una enorme compactació de l’interior, tal com passa amb Júpiter. El nucli interior, amb un radi de 1220 km, és un sòlid de densitat elevadíssima (12800-13100 kg•m-3), consistent en un aliatge de ferro i níquel, amb quantitats menors d’altres elements sideròfils, amb una temperatura de més de 5700 K i una pressió de 3,3-3,6•1011 Pa. El nucli exterior, amb un gruix de 2266 km, és un aliatge de composició similar, però les condicions de pressió i temperatura (4700-6400 K), fan que es trobi en un estat fluid. Damunt del nucli exterior s’hi disposa el mantell, on la preponderància dels elements sideròfils deixa pas a l’abundor dels silicats, que es fa encara més extrema en l’escorça. Però en Júpiter i en la Terra no s’esgota la diversitat planetària. Saturn, per exemple, té una densitat planetària de 687 kg•m-3, la meitat de la de Júpiter. Urà i Neptú són, de vegades, denominats “gegants glacials”, pel fet de disposar d’atmosferes no tan gruixudes com les de Júpiter i Saturn, i més riques en aigua, amoníac, metà, etc., que es troben en estat de glaç en les capes més superficials de l’escorça subatmosfèrica. En Mart la diferenciació entre un nucli metàl•lic i un mantell silici, per bé que patent, no és tan contrastada com a la Terra. Mentre la Terra i Mercuri disposen de camps magnètics, generats per la interacció entre les dues capes del nucli planetari, a Venus i Mart no els presenten. La descoberta creixent d’altres sistemes planetaris amplia més encara el ventall. De la majoria no tenim més que dades bàsiques sobre òrbita, massa o volum. Des del nanometeoroid més ínfim al forat negre supermassiu més descomunal, els astres, entesos com a agregat puntual de matèria, formen un continu, però ben divers en termes de massa, volum, composició, diferenciació, característiques orbitals i rotacionals. Nosaltres, en tot cas, arribem a un dels elements que els caracteritzen, l’element 14.

L’estructura de la Terra. La major part de la massa es concentra en el nucli, on el ferro és el principal element. En el mantell i en l’escorça dominen l’oxigen i el silici, que constitueixen silicats.

Jöns Jacob Berzelius i la descoberta del silici

Jöns Jacob Berzelius va nàixer a Väversunda (Östergötland, Regne de Suècia) el 20 d’agost del 1779, fill del matrimoni format per Samuel Berzelius i Elisabeth Dorothea Sjösten. El cognom Berzelius fou format a partir de la casa pairal, Bergsäter, situada prop de Motala. L’adaptació llatina originària de Bergsäter havia estat Bergselius, de la qual derivà la variant Bersselius (emprada, per l’avi patern, el reverend Jöns Bersselius, nascut el 1689 i mort el 1773), recollida després com a Berzelius. Als quatre anys, va morir el seu pare, a l’edat de 40 anys, i als vuit la seva mare, també als 40 anys. Jacob Berzelius fou acollit llavors per uns parents de Linköping. Com el seu pare, Jacob va estudiar al Gymnasium Lincopense a partir dels 14 anys. Berzelius ja mostrava llavors un viu interès per l’estudi de la natura, estimulat encara més per Clas Fredrik Hornstedt (1758-1809), professor d’història natural a Linköping, que anys enrere havia fet un viatge científic que el dugué a les Açores, a Sud-àfrica i a Java, entre d’altres localitats. En les seves qualificacions finals, els mentors del Gymnasium Lincopense el definiren com “un jove d’esperança ambigua”, valorant les seves dots però també la tendència a la dispersió. La situació econòmica personal, obligà el jove Berzelius a combinar sovint estudis amb dedicacions remunerades (classes particulars, etc.), la qual cosa dilatà un cert punt el seu període formatiu.

El 1796, deixà Linköping per anar a estudiar a la Universitat d’Uppsala. La tradició família l’empenyia a una carrera religiosa, però aviat s’orientà cap a la medicina. Entre els seus professors tingué, en química, a Anders Gustaf Ekeberg (1767-1813). Interromput el curs, durant l’estiu, tornava a Gotlàndia. Un d’aquells estius treballà com a aprenent en la farmàcia de Vadstena, on aprengué a bufar el vidre per a la confecció de baròmetres, termòmetres i altres instruments tècnics. L’estiu del 1800 treballà, com a aprenent, al costat d’un metge del balneari de Medevi, on va fer anàlisis físico-químiques de les aigües (*).

El 1801 completà els estudis de medicina, defensant amb èxit la tesi en el 1802, que versava sobre l’efecte dels corrents galvànics en diverses malalties (De electricitatis galvanicae apparatu cel. Volta excitae in corpora organica effectu). El mateix any va aconseguir una plaça de docent adjunt (sense paga) i començà a exercir com a metge a Estocolm. Pensant en el seus alumnes, va escriure un llibre de química. El 1803, començà a treballar en el laboratori de Wilhelm Hisinger (1766-1852). Hisinger, amb una fortuna personal basada en la propietat de mines, era interessat en l’aplicació del galvanisme en l’anàlisi química i mineralògica.

Esquema bàsic de funcionament d’una cèl•lula electroquímica

Hisinger i Berzelius foren pioners en l’aplicació de la cèl•lula electroquímica en la descomposició de substàncies químiques. Amb ella, aconseguiren identificar un element químic prèviament desconegut, al qual donaren el nom de ceri, en paral•lel a Ceres, el nom del nou planeta que dos anys abans havia estat descobert per Giuseppe Piazzi entre les òrbites de Mart i Júpiter. D’altres laboratoris d’arreu treballaven paral•lelament en aquestes aplicacions, com era el cas de Martin Heinrich Klaproth (1743-1817). Berzelius postulà que les sals eren compostos binaris integrats per un òxid càustic (que aporta un catió) i un òxid acídic (que aporta un anió). Segons aquest dualisme electroquímic, en combinar-se els dos òxids, es forma d’una banda la sal i de l’altra, s’alliberaria gas oxigen; la sal podria ser descomposta, de nou, en un corrent elèctric que separés els dos elements cap al càtode i l’ànode d’una cèl•lula electroquímica. Tot i amb tot, per a Berzelius qualsevol teoria científica depenia de la seva capacitat per explicar el coneixement químic empíric.

Berzelius, doncs, ja era un nom consagrat en la química quan, en el 1807, esdevingué professor de medicina i farmacologia a l’Escola Quirúrgica. En el 1808, esdevingué membre de la Reial Acadèmia Sueca de Ciències, de la qual, a partir del 1818 i fins a la mort, en seria secretari permanent. Berzelius disposava ja de laboratori propi, en el seu mateix domicili. Fou en el 1808 quan contractà Anna Christina Persdotter, més tard Anna Sundström, com a casera. Amb el temps, Anna Sundström, llavors de 23 anys, esdevindria la seva ajudant de laboratori.

Si Antoine Lavoisier havia estat clau en la construcció del concepte modern d’element químic (o de substància simple), John Dalton, a partir del 1808, havia sistematitzat una teoria atòmica de la matèria. D’acord amb la teoria atòmica, les reaccions i els compostos químics es realitzen en unes proporcions definides, suggeriment ja fet per Joseph Proust (d’acord amb experiments fets entre el 1798 i el 1804) i per Claude Louis Bertholet. En el 1813, Berzelius publicava un “Assaig sobre la causa de les proporcions químiques”. Enumerava un llistat de 47 elements químics, i oferia una sèrie de símbols basats en les seves inicials, que també servia per representar els compostos químics (per exemple, H2O, combinació de dos àtoms d’hidrogen i un àtom d’oxigen, de la qual resulta l’aigua). Diverses idees hi havia per explicar les proporcions de les reaccions químiques. El dualisme electroquímic de Berzelius contribuïa a explicar les sals. D’altres hipòtesis més agosarades, com la de William Prout (1815), sostenien que els àtoms químics eren formats per pròtils, i el més senzill de tots els àtoms químics, l’hidrogen, era format per un pròtil.

Berzelius es llençà a la determinació dels pesos atòmics relatius. En el 1818 publicà una taula que presentava els pesos atòmics relatius de 45 dels 49 elements coneguts. Assignava a l’oxigen el valor de 100, i mostrava l’especificitat de cada pes atòmic. Berzelius oferia suport empíric a la idea que els compostos químics són integrats per àtoms elementals combinats en nombres sencers. Ara bé, desencoratjava la idea que els pesos atòmics relatius fossin merament múltiples d’una unitat bàsica. Les determinacions de pesos atòmics reberen un impuls, el 1819, quan Eilhard Mitscherlich (1794-1863) formulà la “llei de l’isomorfisme”, segons la qual els compostos que poden co-cristal•litzar tendeixen a presentar composicions elementals similars. L’aplicació de la doctrina de les “proporcions definides” en el seu “Nouveau Systeme de Mineralogie”, li valdria, en el 1836, obtindre la Medalla Copley.

Paral•lelament, Berzelius treballà en l’anàlisi elemental de substàncies orgàniques, establint-ne metodologies bàsiques a partir del 1814. El mateix any, elaborava, també a la llum de la química element, un nou sistema de classificació dels minerals. Fou en el laboratori de Berzelius, on Johann August Arfwedson va descobrir un nou element alcalí que va denominar liti.

Berzelius participà activament en els debats que consolidaven la química elemental. En el curs de recerques sobre el tel•luri, en col•laboració amb Johann Gottlieb Gahn (1745-1818), van descobrir un nou element, al qual Berzelius, en una altra mostra d’enginy terminològic, batejà com a seleni (1817). Naturalment, quedava molt per fer. La natura d’alguns elements era controvertida, i n’hi havia encara alguns per estudiar en una forma aïllada, si més no amb quantitats suficients. Aquest era el cas del silici.

Antoine Lavoisier

El sílice (silice) apareix com una de les trenta-tres substàncies simples en la llista d’Antoine Lavoisier del 1789. És el nom que proposa per a la substància coneguda per altres autors com la terra siliciosa o terra vitrificable, el material bàsic per a la formació del vidre.

Dibuix de Derek Lucas que mostra un taller antic de vidre

La paraula vidre designa qualsevol sòlid que no presenta una estructura cristal•lina. Freqüentment, els vidres són fràgils i transparents. Existeixen alguns vidres naturals, com l’obsidiana, coneguts des de l’antiguitat ben remota i emprats en ornamentació. Però el mot vidre sol reservar-se al vidre sodocàlcic, confeccionat a partir de pols de quars, barrejada amb materials alcalins en proporcions adequades. Després de fondre aquesta pols a temperatures de 1800 K, en deixar refredar paulatinament el material hom el pot treballar per assolir les formes adequades, fins que no s’assoleix l’estat vitri final. La confecció del vidre hauria començat al Creixent Fèrtil a mitjan del IV mil•lenni a.C., inicialment potser com a subproducte de la metal•lúrgia. Aviat, però, hom aconseguí fer en vidre alguns estris fins llavors tan sols disponibles en ceràmica. La fragilitat, però, en limità la difusió. En l’Edat del Bronze, apareix com un material de luxe en la Mediterrània Oriental. Amb anades i tornades, innovacions tecnològiques contribuïren a una major popularització del vidre.

Instruments paleolítics de sílex, procedents del jaciment de Griquatown, a l’Àfrica Austral

La paraula francesa “silice”, d’altra banda, és l’adaptació del mot llatí “silex” (acusatiu, silicem), equivalent al mot germànic “flint”, i que és la forma criptocristal•lina del quars. Fou un dels primers materials emprats en la confecció d’eines de pedra tallada, característics de l’anomenat període paleolític. La pols de sílice, ja ho hem vist, és el material bàsic per a la confecció del vidre. Alguns tipus de sílice, coneguts com a pedrenyal o pedra foguera, eren la base de les armes de foc dels segles XVI i XVII.

Lavoisier considerava el “silice” o “silici” com una “substància simple salificable terrosa”, categoria en la qual incloïa també altres substàncies simples, químicament diferenciades: la calç, la magnèsia i l’alúmina. Suggeria que la terra siliciosa o sílica podia consistir en un òxid de silici. El quars, el sílex o el vidre, òbviament, devien ser barreges de múltiples compostos, però l’òxid de silici en seria la substància majoritària.

En el 1808, Humphry Davy havia intentat aïllar l’element base de la sílice, per al qual proposava la denominació de “silicium”. La sílice, per Davy, devia ésser un òxid metàl•lic, de la mateixa manera que la calç era òxid càlcic, la magnèsia òxid magnèsic o l’alúmina òxid d’alumini. Davy no reeixí a aïllar l’element, i es demanà si no era la sílice realment ella mateixa una substància simple i no pas un òxid.

Segons el que hom pot llegir a “Recherches physico-chimiques”, Josèp-Loïs Gay-Lussac i Louis-Jacques Thénard, en el 1811, mentre treballaven amb potassi metàl•lic emprant reaccions amb minerals silicis a temperatures elevades, trobaren un producte que, per la descripció, seria silici elemental, en estat amorf, i d’una puresa no gaire elevada.

Thomas Thomson (1773-1852)

Thomas Thomson, en “A System of Chemistry in Four Volumes” (1817), revisant el coneixement de la natura del sílice o sílica diu:

La base del sílice ha estat considerada habitualment com un metall, i se l’ha denominada silici. Però no hi ha la més mínima evidència de la seva natura metàl•lica, i com que té una estreta similitud al boroni i al carboni, seria millor classificar-la juntament amb aquests cossos, i donar-li el nom de siliconi”.

Thomson, doncs, proposa de substituir el nom “silicium” per el de “silicon”, en raó del caràcter no-metàl•lic d’aquest element. En efecte, el bor (boroni) i el carboni són, en el seu estat elemental, no-metalls, en tant que no tenen les característiques pròpies dels metalls (bona conductivitat elèctrica i termal, lluïssor, mal•leabilitat, ductilitat, etc.). La proposta de Thomson ha tingut èxit en la llengua anglesa, on els tres elements citats són coneguts com a “boron”, “carbon” i “silicon”. De l’anglès, el mot “silicon” ha passat a moltes llengües. Les llengües romàniques i germàniques han tendit a preferir “silicium”, en tant que el sufix -ium no el consideraven com lligat exclusivament als metalls. En d’altres llengües, hom ha optat per noms indígenes, equivalents al llatí sílex, com és el cas del grec (πυρίτιο), del rus (Кре́мний, del grec κρημνός ) o del mateix suec (kisel). Dalton recull el terme “silicon”, i simbolitza l’element amb un triangle inscrit en una circumferència. Berzelius simbolitza l’element, més senzillament, amb les inicials del mot llatí, Si.

En el 1823, Berzelius reprenia la qüestió de la purificació del silici elemental que, en aquells moments, continuava com a element hipotètic. Barrejà potassi metàl•lic (kalium) amb fluorosilicat potàssic (flusspatssyrad kisseljords). Després de diversos cicles d’escalfament i rentats, fou capaç d’obtindre una pols de color bruna. En la seva comunicació, publicada en el 1824, reconeixia els intents previs de Davy i de Gay-Lussac i Thénard.

En el 1824, Berzelius emprava un mètode similar per a aïllar zirconi, escalfant una barreja de potassi i de fluorur de zirconi. Malgrat que, com en el cas del silici, la puresa de la preparació del zirconi era limitada, permetia determinacions més precises sobre la natura d’aquest element. En el 1825, Berzelius aconseguia aïllar titani, per bé que en un estat encara força impur.

En el 1829, Berzelius identificava, com un dels components de la thorita, un òxid d’un element prèviament desconegut, al que batejà com a tori. Pels volts del 1830, la llista d’elements químics o substàncies simples, arribava als 55 elements.

Les aportacions de Berzelius en la terminologia científica són notables. En el 1830, va introduir el terme “isòmer” per explicar la relació entre dos compostos, el cianat d’argent (preparat per Friedrich Wöhler, el 1827) i el fulminat d’argent (preparat per Justus von Liebig, el 1826), de composició elemental idèntica, però de propietats químiques diferents, d’acord, raonava Berzelius, amb la disposició dels àtoms en les molècules respectives. En el 1833, va introduir el terme “polímer” per descriure els compostos orgànics construïts a partir d’unitats moleculars menors (els “monòmers”), cosa que explicaria perquè la fórmula empírica del formaldehid és la mateixa que la de la glucosa (CH2O), malgrat que la glucosa tingui un pes molecular sis vegades superior al formaldehid. En el 1835, empra el terme “catàlisi” (del grec, καταλύειν), per designar el fenomen pel qual algunes substàncies que no participen en una reacció química, sí poden accelerar-la. En el 1841, suggeria el terme “al•lòtrop” (a partir del mot grec, άλλοτροπἱα) per designar formes diferents d’una mateixa substància química.

Berzelius, a 56 anys, continuava solter. Trencà aquesta situació en prometre’s amb Elisabet Johanna Poppius, 32 anys més jove, i filla del seu col•lega a l’Acadèmia de Ciències, Gabriel Poppius (1769-1856), antic ministre i reputat pels seus projectes d’innovació agrícola. El matrimoni amb Betty es va celebrar el 19 de de desembre del 1835. Amb motiu de les noces, el rei Karl XIV Johan el va fer baró. Una conseqüències d’aquestes noces, fou que Anna Sundström abandonés la casa de Berzelius, i una llarga col•laboració tècnica de més de vint-i-cinc anys.

Devem a Berzelius la distinció, a la llum de la química moderna, entre matèria inorgànica i matèria orgànica. Els compostos orgànics, en la terminologia de Berzelius, són els formats per carboni (feta excepció dels òxids de carboni i d’alguns altres compostos simples). En temps de Berzelius, però, hom associava encara la química orgànica a la química dels éssers vius (i de les matèries per ells produïts). Berzelius mantingué correspondència amb Gerardus Johannes Mulder (1802-1880), pioner en l’anàlisi elemental de compostos orgànics.

Fou Berzelius qui, el 1838, suggerí el nom “proteïna” per referir-se a la substància que, segons Gerardus Johannes Mulder era principi material comú dels éssers vius. Berzelius construí el terme a partir del mot grec, πρώτειος. Així apareix aquest terme a “Sobre la composició de certes substàncies animals”, publicació de Mulder on exposa la idea que la proteïna és una substància que els animals extreuen majoritàriament de les plantes. Com a fórmula empírica d’aquesta substància, Mulder proposava C400H620N100O120P1S1. Mulder s’equivocava en pensar que la proteïna era una única espècie química, però el nom suggerit per Berzelius resultà del tot adient.

Berzelius s’havia retirat de l’Escola Quirúrgica en el 1832. Mantingué, però, sempre el càrrec de secretari permanent de l’Acadèmia de Ciències i, a partir del 1837, ocupà el seient n.5 de l’Acadèmia Sueca, en reconeixement per les seves aportacions al lèxic científic suec, que compaginaren l’ús de lexemes propis amb la precisió. En el 1841, se li atorgà una pensió pública de 2000 riksdàlers. Es va morir a 68 anys, el 7 d’agost del 1848, a la casa d’Estocolm que havia estat la seva residència habitual durant 42 anys.

Durant tota la vida, Berzelius havia estat escèptic quant als intents de “simplificar” les llistes, cada vegada més nodrides, d’elements químics. És cert que havia reconegut ja certes agrupacions (com la del liti, el sodi i el potassi) i distincions com la que separa els metalls dels no-metalls (que Berzelius s’estimava més, de referir com la distinció entre metalls i metal•loids). Però l’ordenament sistemàtic, més enllà de l’enumeració de pesos atòmics, o de les relacions dels elements a la llum de la teoria de la dualitat electroquímica, li semblava massa especulatiu.

Tot i amb tot, els intents de perioditzar o agrupar els elements químics eren cada vegada més freqüents. Això requeria un estudi més profund de les propietats dels elements i, per tant, una major purificació d’aquells elements imperfectament aïllats. A aquesta tasca es dedicava Henri Étienne Sainte-Claire Deville (1818-1881), en el 1854, quan treballava en l’obtenció d’alumini metàl•lic. El material de partida era clorur d’alumini força impur, amb quantitats relativament elevades de clorur de silici (vora un 10%). Deville provà d’escalfar aquest clorur d’alumini amb sodi metàl•lic en una atmosfera d’hidrogen. Alternativament, va fondre aquest clorur d’alumini amb clorur sòdic, i va sotmetre l’amalgama a electròlisi. Tant en un cas com en l’altre, es feia possible separar l’alumini del silici, ja que si bé el segon apareixia en l’alumini fos, en refredar, el silici cristal•litzava separadament en forma de flocs. Deville reportà aquests procediments, i descrigué el silici obtingut com més pur que no pas l’obtingut pels antics mètodes de Gay-Lussac o Berzelius.

En el 1865, John Newlands, d’acord amb la “llei dels octets”, col•locava el silici, amb un nombre atòmic de 12, en el grup del carboni. Més sòlida era la taula periòdica publicada per Dmitri Mendeleev en el 1869. El silici apareix ací en el grup del carboni. Sota del silici, Mendeleev col•loca un element hipotètic, de massa atòmica de 70, conegut després com a eka-silici. En la versió del 1871, Mendeleev anomena el grup del carboni com a grup IV, i l’identifica com els formadors de tetrahidrurs (RH4) i de diòxids (SiO2). L’element hipotètic eka-silici (abreujat, de vegades, com a Es), i de massa atòmica estimada en 72,0. Que Clemens Winkler descobrís aquest element, que ell batejà finalment com a germani, en el 1886, fou un nou impuls per a l’acceptació de la taula de Mendeleev.

El silici: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard del silici és de 28,085 uma, que resulta de la mitjana ponderada dels seus isòtops estables. Una llista dels isòtops que han estat descrits és, però, més àmplia:
– silici-22 (22Si; 22,03453 uma). Nucli format per 14 protons i 8 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,029 s. Decau majoritàriament (68%) a alumini-22 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (32%), a magnesi-21 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– silici-23 (23Si; 23,02552 uma). Nucli format per 14 protons i 9 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0423 s. Decau a alumini-23 (amb emissió d’un positró).
– silici-24 (24Si; 24,011546 uma). Nucli format per 14 protons i 10 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,140 s. Decau majoritàriament (92%) a alumini-24 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (8%), a magnesi-23 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– silici-25 (25Si; 25,004106 uma). Nucli format per 14 protons i 11 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0220 s. Decau majoritàriament (63,19%) a alumini-25 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (36,8%), a magnesi-24 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– silici-26 (26Si; 25,992330 uma). Nucli format per 14 protons i 12 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,234 s. Decau a alumini-26, amb emissió d’un positró.
– silici-27 (27Si; 26,98670491 uma). Nucli format per 14 protons i 13 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4,16 s. Decau a alumini-27, amb emissió d’un positró.
– silici-28 (28Si; 27,9769265325 uma). Nucli format per 14 protons i 14 neutrons. És un isòtop estable. És l’isòtop majoritari de silici, amb una abundància relativa del 92,223%. Segons les mostres, aquesta abundància pot variar de 92,205% a 92,241%.
– silici-29 (29Si; 28,976494700 uma). Nucli format per 14 protons i 15 neutrons. És un isòtop estable. És el segon isòtop més abundant de silici, amb una freqüència de 4,685% i, en aquest sentit, en relació al 28Si, se’l pot qualificar com a isòtop pesant estable. La variabilitat mostral d’abundància pot anar de 4,678% a 4,692%. Pel seu spin nuclear (1/2+), el 29Si és emprat en tècniques de ressonància magnètica nuclear i de ressonància electroparamagnètica.
– silici-30 (30Si; 29,97377017 uma). Nucli format per 14 protons i 16 neutrons. És un isòtop estable. En abundància relativa, és el tercer isòtop del silici, i el més pesant dels estables, amb una freqüència de 3,092%. Segons les mostres, aquest percentatge pot anar del 3,082% al 3,102%.
– silici-31 (31Si; 30,97536323 uma). Nucli format per 14 protons i 17 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 9438 s (2 hores i 37 minuts). Decau a fòsfor-31, amb emissió d’un electró.
– silici-32 (32Si; 31,97414808 uma). Nucli format per 14 protons i 18 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4,83•109 s (153 anys). Decau a fòsfor-32, amb emissió d’un electró. Generat com a conseqüència de raigs còsmics, sobretot per espal•lació de l’argó, la semivida relativament llarga fa que el puguem trobar en forma de traça en moltes mostres de silici.
– silici-33 (33Si; 32,978000 uma). Nucli format per 14 protons i 19 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 6,18 s. Decau a fòsfor-33, amb emissió d’un electró.
– silici-34 (34Si; 33,978576 uma). Nucli format per 14 protons i 20 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,77 s. Decau a fòsfor-34, amb emissió d’un electró.
– silici-35 (35Si; 34,98458 uma). Nucli format per 14 protons i 21 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,780 s. Decau majoritàriament (94,74%) a fòsfor-35 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (5,26%) a fòsfor-34 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– silici-36 (36Si; 35,98660 uma). Nucli format per 14 protons i 22 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,45 s. Decau majoritàriament (88%) a fòsfor-36 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (12%) a fòsfor-35 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– silici-37 (37Si; 36,99294 uma). Nucli format per 14 protons i 23 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,090 s. Decau majoritàriament (83%) a fòsfor-37 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (17%) a fòsfor-36 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– silici-38 (38Si; 37,99563 uma). Nucli format per 14 protons i 24 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de l’ordre de 0,1 s. Decau bé a fòsfor-37 (amb emissió d’un neutró i d’un electró) o bé a fòsfor-38 (amb emissió d’un electró).
– silici-39 (39Si; 39,00207 uma). Nucli format per 14 protons i 25 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0475 s. Decau a fòsfor-39, amb emissió d’un electró.
– silici-40 (40Si; 40,00587 uma). Nucli format per 14 protons i 26 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0330 s. Decau a fòsfor-40, amb emissió d’un electró.
– silici-41 (41Si; 41,01456 uma). Nucli format per 14 protons i 27 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0200 s. Decau a fòsfor-41, amb emissió d’un electró.
– silici-42 (42Si; 42,01979 uma). Nucli format per 14 protons i 28 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,013 s. Decau a fòsfor-42, amb emissió d’un electró.
– silici-43 (43Si; 43,02866 uma). Nucli format per 14 protons i 29 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de l’ordre de 0,01 s.
– silici-44 (44Si; 44,03526 uma). Nucli format per 14 protons i 30 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de l’ordre de 0,01 s.

L’àtom neutre de silici conté 14 electrons, amb una configuració basal de 1s22s22p63s23p2. És, doncs, l’element del tercer període per al grup 14 (el grup del carboni, IVA o IVB segons algunes nomenclatures, i trivialment coneguts com a cristal•lògens). Dins d’aquest grup, el silici és reconegut habitualment com a “metal•loid”, és a dir situat entre els “metalls” i els “no-metalls”, per bé que té més propietats dels segons que dels primers. El nombre d’oxidació més habitual és el +4 (Si4+), per bé que també pot adoptar molts altres: +3, +2, +1 (com en el SiH), -1, -2, -3, -4. Presenta un radi de Van der Waals de 2,1•10-10 m.

Achim Leistener sosté a les mans una esfera de silici elemental en estat cristal•lí d’1 quilogram de massa. Aquestes esferes s’elaboren en el marc del Projecte Avogadro, un intent d’aconseguir una definició del quilogram a partir de constants físiques universals (particularment, del nombre d’Avogadro) i no a partir del quilogram-patró. Ja vam parlar en el seu moment d’aquest i d’altres intents de redefinició del quilogram. La definició del quilogram, si reïx el Projecte Avogadro, es basaria en les característiques geomètriques o en el nombre d’àtoms de silici d’aquestes esferes

En condicions estàndards de pressió i de temperatura, el silici apareix com un sòlid, amb una densitat de 2329 kg•m-3. És un bon conductor de calor (149 kg•m•s-3•K-1). La forma cristal•lina (cúbica diamantina) és de color gris i d’aspecte metàl•lic; de duresa considerable (7 en l’escala de Mohs).

Peça (a dalt) i pols (a baix) de silici elemental

En condicions estàndards de pressió, el punt de fusió es troba a 1687 K. El silici elemental líquid, en aquest punt de fusió, és una densitat superior a la del sòlid (2570 kg•m-3). El punt d’ebullició, a pressió estàndard, és a 3538 K.

El silici elemental es presenta en diversos al•lòtrops. El silici monocristal•lí (mono-Si), que consisteix en una massa contínua de la xarxa cúbica d’àtoms de Si (espaiats per 5,430710•10-10 m) és l’emprat en electrònica per les seves propietats semiconductores. Anàleg al grafè, trobem el silicè que consisteix en una monocapa cristal•lina d’àtoms de silici, i que fou sintetitzada per primera vegada en el 2010 damunt de cristalls d’argent.

El silici és el vuitè element més abundant en l’univers (el superen l’hidrogen, l’heli, l’oxigen, el carboni, el neó, el ferro i el nitrogen). De la massa bariònica de la Via Làctia, hom estima d’acord amb dades espectroscòpiques, que el Si suposa 650 ppm. Els tres isòtops estables (28Si, 29Si, 30Si) són sintetitzats en estels massius, a temperatures elevades, per la fusió d’elements més lleugers. Les explosions de supernoves permeten la difusió del silici al medi interestel•lar.

Abundància atòmica dels diferents elements químics en el Sistema Solar, normalitzada per milió d’àtoms de silici

Com a element amb nombre Z parell, el silici supera en abundància atòmica els seus companys adjacents de la taula periòdica, l’alumini (Z=13) i el fòsfor (Z=15). El silici també supera en abundància uns altres cinc elements més lleugers (sodi, fluor, liti, bor i beril•li). Tret del ferro, amb una abundància atòmica comparable, cap dels elements més pesants supera el silici. En el Sistema Solar, l’abundància atòmica del 28Si és de 30 ppm (en termes de massa, 653 ppm), la del 29Si és de 2 ppm (34 ppm en termes de massa) i la del 30Si és de l’ordre d’1 ppm (23 ppm en termes de massa).

Els planetes, particularment els rocallosos, es troben enriquits relativament en silici respecte del seu entorn. En el cas de la Terra, l’abundància atòmica del silici és del 15% (superat tan sols per l’oxigen i, a poca distància, pel magnesi), mentre que l’abundància màssica és del 16,1% (en aquest cas el superen el ferro i l’oxigen). Com a element litòfil, l’abundància relativa del silici és molt més elevada en el mantell i en l’escorça que no pas en el nucli.

Abundància atòmica dels diferents elements químics en l’escorça continental superior de la Terra, expressada en relació al milió d’àtoms de silici

En termes atòmics i de massa, el silici és el segon element més abundant de la litosfera, únicament superat per l’oxigen. El 27,7% de la massa de l’escorça terrestre es correspon, de fet, al silici.

Tot i que el silici tetravalent és relativament poc reactiu, ben rarament hom troba a l’escorça cristalls purs de silici. Molt més freqüent és la presència de sílice, és a dir de diòxid de silici (SiO2), que podem trobar en forma de quars (el mineral més abundant de la superfície terrestre), òpal (SiO2•nH2O) o sílex (en el qual, el SiO2 és el component majoritari).

El sílice (SiO2), en forma de quars, és el principal constituent de la sorra, especialment en els arenals continentals (com en la foto, mostra procedent del Desert de Gobi). La relació sorra-vidre-sílice-silici-electrònica dóna molt de joc en l’imaginari popular

Més sovint encara, però, el silici es troba formant, amb el Si-O com a unitat química bàsica, silicats més complexos. Els diferents tipus de silicats (incloent-hi el sílice) conformen el 90% de l’escorça terrestre. Ja vam veure les dues setmanes anteriors, com Eduard Suess esquematitzava l’escorça terrestre com formada per una capa superior de silicats d’alumini (SiAl, particularment en l’escorça continental) i una capa inferior de silicats de magnesi (SiMa, particularment en l’escorça oceànica). La realitat, és clar, és força més complexa. La tectònica de plaques i la relació entre litosfera i astenosfera (la capa superior del mantell) ens informa d’un reciclatge de materials entre les dues capes que, simplificadament, podem entendre com un reciclatge i transformació de silicats.

En la classificació de Nickel-Strunz, els silicats conformen la classe 9. Són subdividits en:
– 09.A. Nesosilicats o ortosilicats, amb una estructura basada en tetraedres aïllats de [SiO4]4-, connectats únicament per cations intersticials. Hi trobem la fenaquita (Be2SiO4), els olivins, el zircó (ZrSiO4), el topaci (Al2SiO4(F,OH)2), etc.
– 09.B. Sorosilicats, basats en grups aïllats de (Si2O7)6-.
– 09.C. Ciclosilicats. Formats per anells de tres o sis membres. És el cas dels berils i maragdes (Be3Al2(Si6O18)).
– 09.D. Inosilicats. Formats per cadenes entrecreuades de tetraedres de silicat. Hi trobem, per exemple, l’arfvedsonita (Na3(Fe,Mg)4FeSi8O22(OH)2).
– 09.E. Fil•losilicats. Són constituïts per fulls paral•lels de tetraedres de silicat. En aquest grup trobem els minerals argilosos, consistents en silicats d’alumini hidratats.
– 09.F. Tectosilicats. Consisteixen en una xarxa tridimensional de tetraedres de silicat. És el grup més abundant, i constitueix de fet el 75% de l’escorça terrestre. En aquesta categoria trobem els quars (SiO2), els feldspats, les zeolites, etc.

L’abundància dels silicats en el mantell i en l’escorça terrestres, és condicionada a la natura de l’enllaç Si-O. Bona part del silici de la nebulosa protoestel•lar, de fet, ja era combinat amb oxigen, formant compostos volàtils més o menys complexos. Constituïren la base dels materials sòlids no-metàl•lics, dels primers protoplanetes, i xarxes de silicats atraparen els altres elements litòfils (com l’alumini, el calci, el sodi, el potassi, el magnesi, etc.). La diferenciació que es dóna més o menys en tots els planetes rocallosos, comporta una concentració del ferro, del níquel i d’altres elements sideròfils en el nucli més dens, mentre que el mantell i l’escorça s’enriqueix en silicats. En la Terra, a banda dels silicats “nadius”, cal comptar amb els silicats procedents de meterorits.

La producció mundial anual de silici és de 7.600.000 tones. No cal dir que les principals aplicacions es realitzen en forma de silicats o, més específicament, de sílice. Un 20% de la producció la constitueix el silici elemental per a finalitats metal•lúrgiques. Encara que qualitativament molt important, el silici elemental de qualitat electrònica (>99,9%) és produït a la taxa més modesta de 5000 tones de producció anual.

El silici elemental és preparat a partir de la reacció de sílice d’alta puresa amb una font de carboni (carbó o llenya), a temperatures de més de 2200 K (SiO2 + 2 C -> Si + 2 CO). Bona part de la producció de silici elemental es destina a la producció de ferrosilici, aliatge de ferro i silici (amb percentatges de silici que, segons els casos, poden anar del 15% al 90%). El ferrosilici s’empra en la metal•lúrgia en la confecció d’aliatges, aprofitant les propietats reductores del silici. El silici dit de grau metal•lúrgic (amb pureses del 95-99%) també s’empra en la confecció d’aliatges d’alumini-silici, particularment en la indústria automobilística.

El silici de grau electrònic exigeix pureses superiors a 99,9%, que s’assoleixen mitjançant electròlisi de sals fosses. Per a la construcció de cèl•lules fotovoltaiques, pot haver-n’hi prou amb una puresa del 99,9%, però en la construcció de semiconductors s’empren galetes de silici de grau 9N (99,9999999%).

Jan Czochralski ideà el procés que du el seu nom per a avaluar les taxes de cristal•lització de diversos metalls en el 1916. Actualment, aquest és el mètode emprat per a l’obtenció de la majoria de cristalls de silici d’aplicació electrònica (un exemple, a sota)

També tenen aplicacions altres compostos de silicis. El silicur de magnesi (Mg2Si) és emprat en la confecció d’aliatges d’alumini. El disilicur de molibdè (MoSi2) s’empra com a material de contacte en microelectrònica. El carbur de silici (SiC), present a la natura molt rarament (en forma de moissanita), és sintetitzat com a abrasiu i emprat en la confecció de dispositius electrònics. El silà (SiH4) i els seus derivats són utilitzats, entre d’altres aplicacions, com a agents reductors en química orgànica i organometàl•lica. Les silicones són un grup de compostos polimèrics basats en l’enllaç Si-O.

La presència del silici en la hidrosfera és limitada, i circumscrita bàsicament a silicats en suspensió. En els oceans, la concentració de silici és de l’ordre de 2,2 ppm (en termes de massa).

En l’atmosfera, la presència de silici encara és més limitada. En les capes altes de l’atmosfera, l’espal•lació de l’argó produeix 32Si, que acaba dipositant-se a la superfície i, amb el transcórrer de les dècades, dóna lloc a 32S com a isòtop estable final.

Malgrat la seva abundància o, potser precisament per això, el rol del silici en els éssers vius és limitat. El sílice biogènic, en efecte, té un paper relativament menor entre els minerals biogènics si el comparem amb el carbonat càlcic. Entre els tàxons que produeixen sílice biogènic (en forma de sílice opalí, SiO2•nH2O) podem citar les diatomees i els radiolaris, membres del fitoplàncton, les esponges silícies i les gramínies. Les funcions són essencialment estructurals.

Esquelets silicis d’algues diatomees, en una preparació microscòpica artística, que ens dóna una idea de la diversitat morfològica del grup. La regularitat d’aquestes estructures biològiques fa que hagin estat emprades històricament en el calibratge de microscopis.

En el cos humà, la concentració típica de silici és de 20 ppm en termes de massa, i de 58 ppm en termes atòmics. El trobem en forma d’àcids silícics (H2SiO3, H4SiO4, H2Si2O5, H6Si2O7) i de silicats solubles. Sembla necessari per a la síntesi d’elastina i col•làgena, la qual cosa explica l’elevada concentració relativa de silici en l’artèria aorta (relacionat amb l’elasticitat d’aquest i d’altres grans artèries).

La vida in silico

Hem vist com Berzelius fou clau en popularitzar la idea que la química orgànica (entesa originàriament com la química dels regnes animal i vegetal) s’identificava amb la química del carboni. Les proteïnes (paraula també proposada inicialment per Berzelius), però també els glúcids (sucres), els lípids (olis, greixos) i els àcids nucleics, consisteixen en un esquelet hidrocarbonat, en el qual participen en forma de grups funcionals l’oxigen, el nitrogen, el fòsfor, el sofre i alguns altres elements químics. D’ací que hom parli de la bioquímica del carboni.

Ara bé, el silici és un element del grup del carboni i, com el carboni, es presenta en forma d’àtoms tetravalents (és a dir, disposats a formar quatre enllaços). Com el carboni elemental, el silici es presenta en al•lòtrops cristal•lins i amorfs, i molts compostos de silici segueixen pautes que ens recorden els del carboni. No és estrany, doncs, que hom hagi hipotesitzat una “bioquímica del silici”. No parlem ací únicament dels compostos organosilicis (com el tetraetilsilà, sintetitzat per Charles Friedel i James Crafts, en el 1863), sinó de tots els compostos basats en el silà (SiH4). No obstant, diversos aspectes expliquen per què la vida a la Terra es basa en el carboni i no en el silici. El silici no és tan químicament versàtil com el carboni i és menys reactiu. Els silans, a diferència dels alcans, es degraden espontàniament en solució aquosa. D’altra banda, el SiO2, que hauria de servir de precursor per a la bioquímica del silici, és insoluble en aigua. Tot i amb tot, s’ha remarcat que biomolècules basades en silicones guanyarien a les basades en la química del carboni en ambients rics en àcid sulfúric. Segons A. G. Cairns-Smith, l’origen de la vida a la Terra es trobaria en l’autoorganització d’argiles, a partir de les quals es construí una bioquímica basada en el carboni que finalment s’hi independitzà.

De totes formes, l’expressió la vida in silico no fa referència habitualment a aquestes coses. “In silico” s’ha convertit, més aviat, en un sinònim de l’existència electrònica, de la vida virtual, generada al redós de l’expansió de la informàtica i de la telemàtica. Pensem, per exemple, en l’oposició que hom fa, en l’àmbit de la biologia, entre els laboratoris humits (“wet labs”), on es maneguen sistemes biològics, i els laboratoris bioinformàtics on es gestionen les dades recollides en els primers.

Imatge aèria de Silicon Valley. L’expressió per designar la part meridional de la San Francisco Bay Area, la devem a Ralph Vaerst, un dels molts pioners de la indústria electrònica. Don Hoefler ja recollia aquesta expressió a començament del 1971, en referència a la rellevància del silici com a material bàsic dels components electrònics. La popularitat de l’expressió es generalitzà a partir dels anys 1980, quan les computadores personals començaren a ser un fet familiar

Ja hem parlat de l’extremada puresa que han de tindre les galetes de silici emprades e la indústria dels semiconductors. El silici és un semiconductor intrínsec, capaç de presentar a temperatura ambient, un comportament de conducció elèctric diferent a la dels conductors metàl•lics. En certa manera, en un semiconductor, no tan sols hi ha un corrent d’electrons, sinó també un “corrent” que tapa els “forats” deixats per aquests electrons.

Galeta de silici

El silici també és emprat en altres components electrònics, atenent per exemple a la seva baixa conductivitat. Si hom dopa el silici amb petites concentracions d’altres elements, és possible augmentar-ne la conductivitat.

En els circuits integrats que són la base material de la informàtica, el suport mecànic l’ofereix una galeta de silici monocristal•lí. Cada galeta és aïllada de l’altra a través de fines capes de SiO2, el qual és generat a partir de les pròpies galetes en exposar el silici a l’aire o a oxigen en condicions determinades. La insolubilitat del silici en l’aigua, li confereix un avantatge que no tenen altres metal•loids que també són semiconductors intrínsecs, com el germani.

La mateixa expressió “in silico” fou encunyada en el 1989, en analogia a altres expressions emprades en biologia: “in vivo” (per referir-se als experiments o observacions fetes en organismes vius), “in vitro” (per referir-se a experiments o observacions fetes en òrgans, teixits o cèl•lules aïllades, i col•locades, doncs, en una “proveta de vidre” o un altre estri). “In silico” voldria dir “allò que té lloc per computadora o a través d’una simulació per computadora”. Això és el que volia expressar Pedro Miramontes en la comunicació “DNA and RNA Physicochemical Constraints, Cellular Automata and Molecular Evolution”, en referir-se als experiments biològics que havia realitzat íntegrament en una computadora.

Més generalment, l’expressió “in silico” pot llegir-se com “simulat”. Els epistemòlegs ens ensenyen que, a banda de l’observació i de l’experimentació, la modelització esdevé una eina fonamental en l’adquisició de coneixement científic. La modelització matemàtica rep, amb el desplegament de la informàtica, un gran impuls. Tant és així que, fa una mica més de 10 anys, Nick Bostrom va reflexionar sobre aquesta tendència de la nostra civilització:

Una civilització “post-humana” tecnològicament moderna tindria una enorme capacitat computadora. Basat en aquest fet empíric, l’argument de la simulació ens mostra que, si més no, una de les següents proposicions és certa:
1.- La fracció de civilitzacions de nivell humà que assoleixen un estadi post-humà és molt propera a zero.
2.- La fracció de civilitzacions post-humanes que són interessades en realitzar simulacions d’ancestres és molt propera a zero.
3.- La fracció de totes les persones que tenen la nostra mena d’experiències que viuen en una simulació és molt propera a 1.

Algú dirà que no n’hi ha per tant. La creació de realitats virtuals, de fet, és tan antiga com el pensament simbòlic. Els àtoms, protons, neutrons, electrons, etc., bé poden existir materialment, però en la nostra realitat existeixen com a modelitzacions per explicar la natura i transformar-la.

Arxivat a Ciència i Tecnologia
One comment on “Els empèdocles moderns – Jöns Jakob Berzelius (1824) i l’element 14 (Si) – silici (nilunquadi, Nuq)
  1. Rafael Balaguer ha dit:

    Molt bé! Felicitats per aquesta sèrie!

Els comentaris estan tancats.

%d bloggers like this: