Rodrigo Ricardo

Estructura y química del carburo de silicio ¿Qué es el carburo de silicio?

Publicado el 2 julio, 2022

¿Qué es el carburo de silicio?

El carburo de silicio, también conocido como carborundo, es un químico covalente perteneciente al grupo de los carburos, que son sustancias formadas por carbono y otro elemento químico y generalmente más electropositivas que el carbono. En el caso del carborundo, se forma por la unión de átomos de carbono y silicio. Su fórmula molecular es SiC y se puede cristalizar de diferentes formas, y cada uno de estos arreglos tiene propiedades eléctricas, térmicas, ópticas y mecánicas únicas.

El carborundo tiene una estructura molecular similar a los diamantes, con un rango de 9 a 9,5 en la escala de Mohs. Fue sintetizado accidentalmente en 1824 por el químico J. Berzelius. Más tarde, en 1891, Edward Goodrich Acheson desarrolló un método para sintetizar carburo de silicio. Sin embargo, al principio pensó que se trataba de un compuesto formado por carbono y corindón (una forma cristalina de la alúmina), de ahí el nombre de carborundum.

Más tarde, Goodrich descubrió que el material que obtuvo estaba hecho de carbono y silicio. Sin embargo, el nombre carborundum se mantuvo porque Goodrich ya había fundado Carborundum Co. para producirlo y comercializarlo como material abrasivo. El carburo de silicio es un mineral raro en la naturaleza, excepto en fumarolas volcánicas y meteoritos. Desde su descubrimiento ha causado gran interés por sus propiedades físicas y técnicas para producir cristales de carburo de silicio de alta pureza que tienen aplicaciones en diversas industrias y que ahora se han perfeccionado.

El carburo de silicio tiene una apariencia de roca con arreglos cristalinos. Se puede encontrar en yacimientos minerales o sintetizarse industrialmente.

Fotografía de una roca de carburo de silicio.

Estructura SiC

El carburo de silicio pertenece a la subcategoría de los carburos covalentes; son compuestos formados por carbono que forman enlaces covalentes con elementos que tienen una electronegatividad similar a la suya. Estas sustancias adquieren una gran dureza debido a los múltiples enlaces covalentes que hacen que las moléculas sean muy rígidas y capaces de formar grupos cristalinos. SiC es uno de los mejores ejemplos de sustancias cristalinas politípicas. Es decir, materiales que pueden variar su estructura cristalina sin alterar su composición química.

El carburo de silicio tiene una fórmula estequiométrica de 1:1; sus moléculas están formadas por un átomo de carbono y un átomo de silicio en un enlace covalente. En su disposición, los electrones de valencia de la molécula se ubican más cerca de los átomos de carbono, por lo que estos átomos actúan como aniones, y los átomos de silicio actúan como cationes, dando al carborundum la capacidad de conducir electricidad, a pesar de ser un compuesto covalente. SiC se ha convertido en una aleación apreciada por sus propiedades abrasivas y semiconductoras.

El SiC se obtiene de la fusión de arena o cristales de cuarzo de alta pureza con coque de petróleo en hornos de arco eléctrico a más de 3000 grados F. El material resultante de la cocción es un sólido brillante de color oscuro con arreglos cristalinos. Este material sólido es sometido a un crecimiento masivo mediante un proceso de sublimación sembrada que permite obtener obleas de cristal que se utilizan como materia prima para la fabricación de diversos productos. Una vez obtenidas, las obleas de carburo de silicio se seleccionan y pulverizan, luego se envasan según el espesor de los granos para ser utilizadas como material abrasivo, semiconductor o de construcción.

El carburo de silicio tiene una estructura cristalina de alta dureza debido a la disposición de los átomos de carbono y silicio en sus moléculas.

Imagen 3D de la estructura de la molécula de carburo de silicio

Apariencia física del carburo de silicio

El carburo de silicio es una aleación sólida con aspecto de roca formada por cristales, normalmente de color negro brillante, aunque también puede adoptar colores amarillos o verdes. Suele comercializarse en forma de polvo con consistencia de arena de color oscuro.

Usos del carburo de silicio

El uso más extendido del carborundum es como material abrasivo y cortante. Sin embargo, su uso ha aumentado como semiconductor eléctrico debido a su capacidad de reaccionar con metales a temperaturas moderadas. Como conductor térmico, gracias a su resistencia a altas temperaturas, actualmente se están descubriendo nuevas aplicaciones tecnológicas para el SiC.

Como abrasivo, el carburo de silicio se utiliza para fabricar lápices, papel de lija y discos abrasivos para pulir y cortar.

Debido a sus propiedades como material semiconductor y refractario eléctrico, el carburo de silicio fue un material que desplazó el uso de tubos de vacío como dispositivos para conducir y regular la electricidad, a partir de la década de 1950. El SiC puede soportar gradientes de alta tensión y temperatura, lo que lo hace muy útil para fabricar componentes eléctricos como diodos, transistores y conductores de microondas que necesitan soportar flujos de corriente elevados sin romperse.

Este compuesto también se usa para fabricar inyectores de chorro de arena, sellos automotrices para bombas de agua y combustible, matrices de extrusión, tubos de intercambiadores de calor y rodillos para hornos. El carburo de silicio se ha introducido en la industria aeroespacial para fabricar espejos de satélite y marcos para telescopios espaciales.

Recientemente, el carborundo se ha ido perfilando como un material con múltiples aplicaciones en el campo de la biomedicina. Por ejemplo, en el desarrollo de andamios para ingeniería de tejidos sintéticos, fabricación de prótesis, biosensores, biomembranas y dispositivos para la liberación gradual de fármacos.

El carburo de silicio se utiliza generalmente para la fabricación de componentes con alta resistencia a la temperatura ya la abrasión.

fotografía de un componente automotriz de cerámica de carburo de silicio

Resumen de la lección

El carburo de silicio es un compuesto químico covalente, también conocido como carborundum formado por la unión de átomos de carbono y silicio con fórmula química SiC en una fórmula estequiométrica de 1:1. Cuando se produce industrialmente, el carburo de silicio tiene el aspecto de una roca formada por cristales, normalmente de color negro brillante, aunque también puede adoptar colores amarillos o verdes. Esta sustancia tiene una estructura molecular similar a un diamante, con una gran dureza debido a los múltiples enlaces covalentes. El SiC fue descubierto en 1893 por Henri Moissani en los yacimientos minerales de Devil’s Canyon, Arizona, Estados Unidos, y accidentalmente sintetizado en 1894 por el químico J. Berzelius. Edward Goodrich Acheson desarrolló un método para sintetizarlo y usarlo como material abrasivo.

El carborundum se sintetiza a partir de la fusión de arena o cristales de cuarzo de alta pureza con coque de petróleo en hornos de arco eléctrico, obteniendo lingotes cilíndricos de cristales hexagonales alrededor de un núcleo de grafito. Posteriormente, se elaboran obleas de cristal mediante el proceso de sublimación de semillas, las cuales se utilizan como materia prima para la fabricación de diversos productos. El SiC se comercializa comúnmente en forma de polvo. Se puede utilizar como material abrasivo, semiconductor y mecánico para fines de pulido, corte, eléctricos, aeroespaciales y biomédicos.

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