Silicio, siliconi e dintorni.

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo

a cura di Rinaldo Cervellati

Questi due nomi hanno generato (e continuano a farlo) una grande confusione, specialmente fra i traduttori di articoli giornalistici e romanzi, suscitando facili ironie da parte degli addetti ai lavori. Ricordo ad esempio il titolo di un articolo comparso nel quotidiano di Bologna: “In arrivo l’automobile al silicone!” per intendere l’auto munita di componenti elettronici. Oppure la “Silicon Valley”, tradotta come “Valle del Silicone”.

Silicio, elemento Z=14

Si potrebbero riportare decine di queste “perle”. Il fatto è che la traduzione corretta del vocabolo inglese Silicon è Silicio, nome dato all’elemento 14 della Tavola Periodica, mentre il vocabolo inglese per “silicone” (un importante materiale contenente silicio ma con proprietà completamente diverse) è proprio “silicone”. Vi è davvero assonanza, ma i traduttori quando hanno a che fare con termini scientifici potrebbero consultare un dizionario o, più semplicemente, andare su Google…[1].

Prodotti comuni contenenti siliconi

Vediamo di cosa si tratta in qualche dettaglio.

Il silicio, simbolo Si, è il secondo elemento per abbondanza (27.7%), dopo l’ossigeno, nella crosta terrestre sottoforma di minerali (quarzo, feldspati, silicati, alluminosilicati) costituenti le rocce (graniti, argille). Il primo a isolare il silicio elementare a un certo grado di purezza fu il grande chimico J.J. Berzelius (1779-1848) nel 1823. Egli pensò che questo elemento assomigliava molto al boro perché entrambi gli elementi formavano ossidi non volatili che producevano facilmente materiali vetrosi e si potevano ottenere isolati solo come polveri amorfe. Ciò lo portò a assegnare la formula SiO₃ all’ossido di silicio in analogia con quello del boro (BO₃)[2]. Successivamente fu poi stabilito il giusto peso atomico al silicio e la sua posizione nella Tavola Periodica, sotto al Carbonio, sicchè all’ossido di silicio venne assegnata la formula corretta, SiO₂ [1].

Friedrich Wöhler

Nel 1857, il chimico Friedrich Wöhler[3], che fu allievo di Berzelius, sintetizzò il tetraidruro di silicio (SiH₄), stechiometricamente e strutturalmente analogo al metano (CH₄) [2]. Successivamente, ottenne, per idrolisi del silicato di magnesio, una serie di composti contenenti silicio, idrogeno e ossigeno, trovando comunque molto difficile assegnare a questi formule precise. In base a dati analitici assegnò a uno di questi composti le possibili formule Si₈H₄O₆, Si₆H₃O₄, Si₁₂H₆O₈ e altre simili. Poiché gli unici altri composti con questa stechiometria complessa che Wöhler conosceva erano i composti organici del carbonio, nel 1836 scrisse:

… Un risultato di grande interesse in quanto può essere visto come un composto costruito alla maniera di una sostanza organica in cui il silicio svolge il ruolo del carbonio nel materiale organico. Forse può servire come base per tutta una serie di corpi simili, e potrebbe quindi esistere la prospettiva di una chimica speciale del silicio, simile a quella che esiste nel caso del carbonio.[3]

Questa frase, tradotta dall’originale tedesco [3] in inglese da W. Jensen [1]*, ha probabilmente influenzato i giornalisti “scientifici” e gli scrittori di fantascienza che hanno immaginato pianeti basati sul silicio al posto del carbonio, e esseri extraterrestri con organismi al silicio. Queste fantasie sono chiamate da Jensen “strong analogies” fra la chimica del carbonio e quella del silicio. Ma, dice Jensen, sono esistite e esistono anche “weak analogies” che hanno portato proprio alla scoperta dei siliconi. Queste “analogie deboli” consistono nella considerazione che sarebbe stato possibile modificare o perturbare usuali composti organici sostituendo atomi isolati di carbonio con atomi di silicio. In particolare, l’attenzione fu inizialmente posta sulla sostituzione di atomi di carbonio corrispondenti a centri otticamente attivi, a gruppi funzionali, ecc.

C. Friedel

J. M. Crafts

Nel 1844, il chimico francese, Jacques-Joseph Ebelmen[4], aveva preparato con successo una serie di alcossido derivati di silicio di formula generale Si(OR)₄, e nel 1863 C. Friedel e J. M. Crafts[5] sintetizzarono il primo alchil derivato del silicio, il tetraetilsilano, Si(C₂H₅)₄ [1]. La ricerca fu proseguita da Friedel, e in particolare dal chimico tedesco Albert Ladenburg[6] per tutto l’ultimo quarto del 19° secolo, quindi, nel 1916, il chimico svedese Artur Bygden potè elencare diverse centinaia di composti organometallici del silicio in una sua monografia.

Lo storico americano Jensen afferma che la maggior parte dei composti elencati da Bygden erano semplici prodotti di sostituzione dei tetralchilmonosilani, e in quasi tutti i casi le strutture loro assegnate furono basate esclusivamente sul presupposto che una stechiometria analoga a quella di un composto corrispondente del carbonio implicava automaticamente una analoga struttura. Questo da un lato ci dice che i chimici lavoravano in base alla “analogia debole”, ma dall’altro che nei giornalisti e romanzieri si rafforzava invece l’idea della “analogia forte”.

Frederick Stanley Kipping

Nel 1899 il chimico organico inglese Frederick Stanley Kipping[7], iniziò uno studio intensivo sui composti organosilanici (in base alla analogia debole) che proseguì per quasi quattro decenni. Forse il risultato più importante di Kipping è stata la sintesi di una nuova classe di derivati organosilanici contenenti ossigeno, i siliconi. Anche Kipping, nei suoi primi lavori, dava per scontato che stechiometria analoga implicava automaticamente struttura analoga. Di conseguenza, quando ottenne una classe di composti di formula generale R₂SiO, pensò di aver scoperto gli analoghi alchilsilanici dei chetoni R₂CO, da qui il nome “siliconi” che Kipping diede a questi composti. Si deve concordare con Jensen che questo termine ha eguagliato nella nomenclatura chimica, per le sue implicazioni fuorvianti, solo l’ipotesi di Lavoisier che la composizione di zuccheri e amidi implicava che essi fossero letteralmente idrati di carbonio.[1]

Tuttavia, nel 1936, nella sua Bakerian Conference su “I derivati organici del silicio”, in cui riassunse la sua vita professionale, il suo lavoro e l’esperienza maturata, egli si mostra molto dubbioso sulla possibilità di una chimica organica basata sul silicio, infatti dice:

Anche dopo poche esperienze, era evidente che derivati corrispondenti dei due elementi in questione mostravano differenze molto notevoli nelle loro proprietà chimiche; ora si può dire che il caso principale, se non l’unico, in cui essi presentano una somiglianza molto stretta è quello delle paraffine e dei silicoidrocarburi contenenti un atomo di silicio direttamente unito a quattro radicali alchilici. Ma in qualsiasi confronto fra i composti del carbonio e i derivati organici del silicio è molto più importante il fatto che molte, se non la maggior parte, delle principali classi dei primi non sono rappresentate tra questi ultimi. Apparentemente ciò non è semplicemente una conseguenza di una insufficiente indagine sperimentale sui derivati di silicio, ma è dovuto alle differenze fondamentali nelle proprietà degli atomi di silicio e carbonio …[4]

In altre parole, dopo 40 anni di ricerca, Kipping era giunto alla conclusione che anche la “analogia debole” aveva difetti, e il successivo lavoro avrebbe presto mostrato che il suo pessimismo era pienamente giustificato.

E.G. Rochow

In effetti fu presto dimostrato, in particolare dal chimico americano E.G. Rochow[8], che le strutture e la chimica dei siliconi e di altri alchilsilani contenenti ossigeno sono meglio descritte dal punto di vista della chimica inorganica come derivati progressivamente depolimerizzati in cui uno o più “ponti” Si−O−Si vengono sostituiti da radicali R− o da gruppi RO−:

2(R−) + (= Si−O−Si =) → 2 (= Si−R) + (−O−)

piuttosto che dal punto di vista della chimica organica come semplici analoghi silicio-sostituiti dei chetoni, alcoli, ecc. Infatti, un processo parallelo si osserva nel campo strettamente inorganico quando si depolimerizzano i silicati per reazione con ossidi metallici, un processo che porta alla formazione di strati, catene, anelli e anioni silicato, nonché vetri silicati di viscosità variabile [5]. Va notato che i Bragg avevano dimostrato, tramite la cristallografia a raggi X, la totale assenza di qualsiasi somiglianza tra le strutture di anidride carbonica e carbonati, da un lato, e le strutture di biossido di silicio e silicati, dall’altro, e che Alfred Stock[9], lavorando sui silani nel periodo 1916-1923 aveva mostrato che gli idruri di silicio erano altamente sensibili all’aria e all’umidità contrariamente agli alcani.

Tutto questo per ribadire la pratica impossibilità di realizzare una chimica del silicio analoga alla chimica del carbonio o chimica organica.

Ovviamente ciò nulla toglie all’importanza che i siliconi rivestono oggi nei campi più disparati, dai lubrificanti alla medicina, dall’elettronica all’edilizia, ecc.

una bellla molecola di silicone: il ciclometicone o decametilciclopentasilossano un “silicone” ciclico usato nell’industria cosmetica e nel lavaggio dei tessuti

Notate che i siliconi vengono anche definiti silossani o meglio polisilossani, un termine che eliminerebbe l’ambiguità del più comune termine silicone.

[1] W.B. Jensen, The Chemistry of Bug-Eyed Silicon Monsters, An invited lecture given at the 203^rd National ACS Meeting, San Francisco, CA, on 05-10 April 1992.

[2] F. Wöhler, H. Buff, Ueber eine Verbindung von Silicium mit Wasserstoff, Ann. Chem., 1857, 103, 218-229, cit. in [1]

[3] F. Wöhler, Ueber Verbindungen des Silicium mit Sauerstoff und Wasserstoff, Ann. Chem., 1863, 127, 257-274, p. 268, cit in [1]

[4] F. S. Kipping, Organic Derivatives of Silicon, Proc. Roy. Soc., 1937, 159A, 139-148.

[5] E. G. Rochow, An Introduction to the Chemistry of the Silicones. Wiley: New York. NY. 1946, cit. in [1]

Noterella semiseria dell’autore: L’universo fisico è illimitato, teniamo quindi sempre in mente l’aforisma di Shakespeare: “Ci sono più cose in cielo e in terra, Orazio, di quante ne possa immaginare la tua filosofia”

*e dall’inglese in italiano dal sottoscritto

[1]Secondo wikipedia, la confusione non riguarda solamente l’inglese/italiano, ma anche altre lingue ad es. spagnolo/inglese: Silicio(Silicon)/Silicona(Silicone); tedesco/inglese: Silizium(Silicon)/Silikon(Silicone).

[2] Ciò anche a causa degli errori nel calcolo dei pesi atomici. Come abbiamo ricordato più volte occorrerà aspettare la “rivoluzione” di Cannizzaro per la determinazione esatta dei pesi atomici (1858/1860).

[3] Di Wöhler abbiamo diffusamente parlato in un precedente post https://ilblogdellasci.wordpress.com/2016/05/30/friedrich-wolher-e-gli-albori-della-chimica-organica-di-sintesi/

[4] Jaques-Joseph Edelmen (1814-1852) chimico e mineralogista francese fece importanti ricerche su diversi minerali e studiò e migliorò un metodo di fabbricazione di ceramiche e porcellane.

[5] Charles Friedel (1832-1899) chimico e mineralogista francese, James Mason Crafts (1839-1917) chimico americano spese la sua carriera fra Francia e Stati Uniti. Fra i due chimici vi fu una stretta collaborazione culminata nella nota reazione di Friedel e Crafts che consiste nell’alchilazione o acilazione di composti aromatici catalizzata da acidi di Lewis.

[6] Albert Ladenburg (1842-1911) chimico organico tedesco isolò per primo la scopolamina e si interessò particolarmente di alcaloidi. Medaglia Davy 1905.

[7] Frederick Stanley Kipping (1863-1949) chimico inglese, pioniere nella chimica dei composti organosilanici ebbe un certo ruolo nelllo sviluppo della gomma sintetica e dei lubrificanti siliconici. Medaglia Davy 1918.

[8] Eugene George Rochow (1909 – 2002) chimico inorganico americano è noto sopratutto per le sue ricerche sugli organosilanici. Descrisse il processo diretto, noto come processo di Rochow o di Muller-Rochow per preparare siliconi su scala industriale.

[9] Alfred Stock (1876-1946), chimico inorganico tedesco, è stato pioniere nelle ricerche sugli idruri del boro e del silicio, sul mercurio e la sua velenosità e in chimica di coordinazione.