Unsur Kimia Silikon ( Si )

SILIKON

     Silikon adalah suatu unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki lambang Si dan nomor atom 14. Silikon merupakan unsur periode ketiga yang paling banyak terdapat di alam. 28% dari massa kulit bumi mengandung silikon. Silikon adalah unsur kedua yang paling berlimpah di kerak bumi, setelah oksigen.

     A.Sejarah

Pada tahun 1789, kimiawan Perancis Antoine Laurent Lavoisier mengusulkan bahwa kuarsa (kristal silikon dioksida) yang mungkin menjadi oksida dari elemen yang sangat umum,namun belum teridentifikasi atau terisolasi. Ada kemungkinan bahwa di Inggris pada tahun 1808 Humphry Davy berhasil mengisolasi silikon sebagian murni untuk pertama kalinya, namun dia tidak menyadarinya.

Di tahun 1811, kimiawan Perancis Joseph L. Gay-Lussac dan Louis Jacques Thenard jugamungkin telah membuat silikon murni dengan mereaksikan kalium dengan apa yang sekarang kita sebut silikon tetrafluorida untuk menghasilkan suatu padatan coklat kemerahan yang mungkin silikon amorf.  Pada 1824 kimiawan Swedia Jöns Jakob Berzelius menghasilkan sampel dari silikon amorf, solid coklat, dengan mereaksikan kalium fluorosilikat dengan kalium, memurnikan produk dengan mencuci berulang-ulang. Itu dinamakan silicium unsur baru.

Pada saat itu, konsep semikonduktor berbaring abad di masa depan dan ilmuwan memperdebatkan apakah unsur baru adalah logam atau bukan logam.  Berzelius percaya itu adalah logam, sementara Humphry Davy mengira itu bukan logam. Masalahnya adalah bahwa unsur baru adalah konduktor baik listrik dari nonmetals, tapi tidak sebagus konduktor sebagai logam. 

Silikon diberi nama pada tahun 1831 oleh kimiawan Skotlandia Thomas Thomson. Dia tetap bagian dari nama Berzelius, dari 'silicis', yang berarti batu.  Dia mengubah akhiran elemendengan  elemen on karena itu lebih mirip dengan nonmetals boron dan karbon daripada  untuk logam seperti kalsium dan magnesium. (Silicis, atau batu api, mungkin penggunaan pertama kali silikon dioksida)

Pada tahun 1854 Henri Deville memproduksi silikon kristal untuk pertama kalinya menggunakan metode elektrolitik. Dia mengelektrolisis lelehan murni sebuah natrium klorida untuk menghasilkan silisida aluminium. Ketika silikon telah dihilangkan dengan air, meninggalkan kristal silikon.

      B.   Sumber Silikon dan Kelimpahannya

Silikon membentuk 28% kerak bumi dalam jumlah berat, dan merupakan unsur terbanyak kedua, setelah oksigen. Silikon tidak ditemukan bebas di alam. Silikon terdapat dalam bentuk senyawa oksida silika SiO₂, dan mineral yang disebut silikat. Kristal SiO₂murni mudah kita jumpai yang dikenal dengan nama pasir atau kuarsa, sedangkan Kristal SiO₂ yang tidak murni (dengan runutan bahan kotoran, di antaranya adalah agata (akik), oniks, opal, batu kecubung (ametis), dan flint.  Granit, hornblende, asbestos, feldspar, tanah liat,mica, dsb merupakan contoh beberapa mineral silikat.

Silikon memiliki 14 isotop yang setengah-hidup diketahui, dengan nomor massa 22-36. Dari jumlah tersebut, tiga yang stabil, yaitu  ²⁸Si (92.23%), ²⁹Si (4.67%), dan ³⁰Si (3.10%).  Sebab spin intinya I = 1/2, ²⁹Si digunakan dalam studi NMR senyawa silikon organik atau silikat (NMR padatan).

      C.    Sifat Fisik Silikon

      Konfigurasi                                  : [Ne] 3S²3P²

      Fase (suhu kamar)                        : Solid

Massa Jenis                                  : 2,33 g/cm³

Titik leleh                                    : 1687 K (1410⁰ C, 5909 ⁰F)

Titik didih                                    : 3538 K (2355 ⁰C, 5909 ⁰F)

Kalor Lebur                                  : 50,21 kJ/mol

Kalor Penguapan                          : 359 kJ/mol

Energi Pengionan                         : 8,2 eV/atm      

Jari-jari kovalen atom                   : 790 (1,17A)

Jari-jari ion                                   : 0,41 A (Si⁴⁺)

Keelektronegatifan                      : 1,8

Berat atom standar                       : 28,085 g.mol^-1

      D.    Sifat Kimia Silikon

Silikon dikulit bumi terdapat dalam berbagai bentuk silikat, yaitu senyawa silikon dengan oksigen. Unsur ini dapat dibuat dari silikon dioksida (SiO₂) yang terdapat dalam pasir, melalui reaksi:

SiO₂(s) + 2C(s) → Si(s) + 2CO(g)

Silikon murni berstruktur seperti Intan ( tetrahedral) sehingga sangat keras dan tidak menghantarkan listrik jika dicampur dengan sedikit unsur lain, seperti alumunium (Al) atau boron (B). Silikon bersifat semikonduktor (sedikit menghantarkan listrik), yang diperlukan dalam berbagai peralatan elektronik, seperti kalkulator dan komputer. Itulah sebabnya silikon merupakan zat yang sangat penting dalam dunia modern. Untuk itu dibutuhkan silikon yang kemurniannya sangat tinggi dan dapat dihasilkan dengan reaksi:

SiCl₄(g) + 2H₂(g) → Si(s) + 4HCl(g)

Jari-jari silikon lebih besar dari karbon, sehingga tidak dapat membentuk ikatan π (rangkap dua atau tiga) sesamanya, hanya ikatan tunggal (σ). Karena itu silikon tidak reaktif pada suhu kamar dan tidak bereaksi dengan asam, tetapi dapat bereaksi dengan basa kuat seperti NaOH.

Si(s) + 4OH^-(aq) → SiO₄(aq) + 2H₂(g)

Batuan dan mineral yang mengandung silikon, umumnya merupakan zat padat yang mempunyai titik leleh tinggi, keras, yang setiap keping darinya merupakan suatu kisi yang kontinu terdiri dari atom-atom yang terikat erat. Sebuah contoh senyawa silikon yang memiliki titik leleh tinggi adalah silikon dioksida, yang terdapat dialam dalam bentuk kuarsa, agata (akik), pasir, dan seterusnya.

      E.     Reaktifitas silikon 

     

      Kereaktifan silikon sama halnya dengan boron dan karbon yaitu sangat tak reaktif pada suhu biasa. Bila silikon bereaksi, tak ada kecendrungan dari atom-atom silikon untuk kehilangan elektron-elektron terluar dan membentuk kation sederhana seperti  Si⁴⁺, karena ion-ion kecil ini akan mempunyai rapatan muatan begitu tinggi. Namun atom-atom ini biasanya bereaksi dengan persekutuan antara elektron mereka membentuk ikatan kovalen. Bila dipanaskan dalam udara, unsur-unsur itu bereaksi dengan oksigen dalam reaksi pembakaran yang sangat eksotermik untuk membentuk oksida SiO₂ yang bersifat asam.

      F.    Reaksi dengan Unsur Lain

      1.      Hidrida

Pada suhu tinggi, silikon dapat bereaksi dengan hidrogen membentuk hidrida, reaksinya adalah sebagai berikut.

Si(s) + 2H₂ → SiH₄

 2.       Reaksi dengan Halogen

 Silikon bereaksi dengan halogen secara umum, bahkan sampai terbakar dalam gas flour.

      Si + 2X₂ → SiX₄

        Contoh:  Si + 2Cl₂ → SiCl₄

    Si + 2Br₂ → SiBr₄

      3.      Reaksi dengan oksigen

Bila dipanaskan dalam udara, silikon bereaksi dengan oksigen dalam reaksi pembakaran yang sangat eksotermik untuk membentuk oksida SiO₂, pada hakikatnya tidak reaktif dengan air pada suhu-suhu biasa. Senyawaan silikon dengan oksigen adalah yang paling melimpah dari semua senyawaan dalam kerak bumi. Reaksi antara silikon dengan oksigen adalah sebagai berikut.

Si_(s) + O_2(g)                  SiO_2(S)

     4.      Reaksi dengan karbon

Salah satu seyawaan silikon yang terkenal adalah silikon karbida. Secara kimia silikon karbida tidak aktif, hampir sekeras intan dan digunakan sebagai bahan gosok untuk mengasah, memotong, dan memoles. Reaksi silikon dengan karbon adalah sebagai berikut.

Si_(s) + C_(s)               SiC_(s)

G. Senyawaan Silikon

     1.      Silikon dioksida

Silikon dioksida atau silika adalah satu senyawaan kimia yang paling umum. Kristal SiO₂ murni ditemukan di alam dalam tiga bentuk polimorfis, yaitu kuarsa, kristobolit dan trimid. Pasir, agata(akik), oniks, opal, batu kecubung (ametis) dan flint adalah silikon dioksida dengan runutan bahan kotoran. Kuarsa lebur digunakan untuk membuat cawan dan bejana laboratorium lain yang akan dipanaskan sampai suhu yang luar biasa tinggi (1500⁰C). Bentuk-bentuk silika merupakan beberapa dari struktur kristal yang benar-benar penting, bukan saja karena silika sendiri merupakan zat yang begitu melimpah dan berguna, tetapi juga karena strukturnya (SiO₂) adalah unit yang mendasar dalam kebanyakan mineral. Kristal SiO₂ memiliki dua ciri utama, yaitu setiap atom silikon berada pada pusat suatu tetrahedron yang terdiri dari empat atom oksigen dan setiap atom oksigen berada di tengah-tengah antara dua atom silikon.

     2.      Silikat

Senyawaan silikat yang maha besar itu cenderung saling  berkaitan bersama seperti rantai atau sebagai kerangka yang menyerupai kotak. Dalam hal ini silika merupakan unit pembangun yang utama.

Dua asam silikat sederhana adalah asam ortosilika, H₄SiO₄, dan asam metasilikat, H₂SiO₃. Kedua senyawa ini tidak larut dalam air, tetapi mereka memang bereaksi dengan basa.

Contohnya:

H₄SiO₄(aq) + 4NaOH(aq) → Na₄SiO₄(s) + H₂O(l)

Bila kering sebagian (parsial) asam silikat disebut gel silika. Dalam bentuk ini ia mempunyai kapasitas menyerap yang besar terhadap uap air, belerang dioksida, asam sitrat, benzena dan zat-zat lain.

Garam-garam asam oksi dari kedua asam silikat tadi meliputi:

Na₂SiO₃ (Natrium Metasilikat), Na₄SiO₄ (Natrium ortosilikat), Mg₂SiO₄ (Magnesium ortosilikat), LiAl(SiO₃)₂ (Litium alumunium metasilikat). Semua silikat ini kecuali silikat dari Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺, dan NH₄⁺, praktis tidak larut dalam air. Semua silikat yang larut, membentuk larutan yang bersifat basa bila dilarutkan dalam air. Ion SiO₃^2-, bertindak sebagai basa dengan menghilangkan proton dari air.

SiO₃^2-(aq) + H₂O(l) → HSiO₃^-(aq) + OH^-(aq)

Suatu sifat kimia yang penting dari silikon adalah kecenderungan yang membentuk molekul yang signifikan besar. Silikon cenderung membentuk ikatan tunggal (masing-masing membentuk 4 dan 3 ikatan tunggal). Silikon membentuk molekul-molekul dan ion-ion raksasa, atom oksigen membentuk kedudukan yang berselang-seling.

Kebanyakan batuan dan mineral adalah silikat dengan kisi:

Kisi silikat ini dapat dianggap sebagai diturunkan dari SiO2, tetapi dengan atom –atom umum lain kadang-kadang terkait dengan atom silikon dan oksigen itu dan kadang-kadang menggantikan atom-atom ini. Rumus dan nama beberapa komponen mineral yang lebih melimpah mengandung silikon, terdapat pada tabel berikut.

Grup Mineral	Persentase Mineral dalam Kerak Bumi	Struktur Khas	Rumus Representatif dan nama umum
Feldspar	49	Kristal besar dalam tiga dimensi (seperti kotak)	KAlSi3O8, ortoklase NaAlSi3O8, albit CaAl2Si2O8,anortit Na4Al3Si3O12Cl,sodalit
Kuarsa	21	Sama seperti di atas	SiO2, silika
Amfibol atau piroksena	15	Kristal besar dalam tiga dimensi	CaSiO3, wolastonit NaAlSi2, jadeit Ca2Mg5Si8O22, termolit (suatu asbes)
Mika	8	Kristal besar dalam dua dimensi (sepeti lapisan)	KAl2Si3AlO10(OH)12, muskovit K2Li3Al4Si7O21(OH,F)3, lepidolit

     H.  Isolasi atau Pembuatan Silikon

Silikon dapat dibuat dari silika dengan cara sebagai berikut:

SiO_2(s) + 2Mg_(s)        ^panas       2MgO_(s) + Si_(s)

Dalam bentuk kristalnya, silikon adalah abu-abu atau hitam.

Silikon dibuat dari silika dengan kokas sebagai reduktor. Campuran silika dan kokas dipanaskan dalam suatu tanur listrik pada suhu sekitar 3000⁰ C.

SiO_2(s) + C_(s)                   Si_(l) + 2CO_(g)

Pembuatan silikon ultra murni dilakukan sebagai berikut. Mula-mula silikon biasa direaksikan dengan klorin sehingga terbentuk silikon tetraklorida, suatu zat cair yang mudah menguap (titik didih = 58⁰C)

Si_(s) + 2Cl_2(g) → SiCl_4(l)

SiCl₄ kemudian dimurnikan dengan distilasi bertingkat. Selanjutnya, SiCl₄ direduksi dengan mengalirkan campuran uap SiCl₄ dengan gas H₂ melalui suatu tabung yang dipanaskan. Dengan cara ini dapat diperoleh silikon ultra murni yang pengotornya hanya sekitar 10 %. Reaksinya adalah sebagai berikut.

SiCl_4(g) + 2H_2(g)                 Si_(s) + 4HCl_(g)

Padatan Si yang terbentuk berupa batangan yang perlu dimurnikan  dengan cara pemurnian zona (zona refining), seperti pada gambar  pemurnian zona silikon.  Pada pemurnian zona batangan silikon tidak murni secara perlahan dilewatkan ke bawah melalui kumparan listrik pemanas yang terdapat pada zona lebur. Karena pemanasan maka batang silikon tidak murni akan mengalami peleburan.

Seperti pada sifat koligatif larutan tentang pemurnian titik lebur larutan dimana titik lebut larutan adalah lebih rendah dibandingkan titik lebur pelarut murni. Pemurnian silikon anolog dengan hal tersebut, silikon murni di anggap sebagai pelarut sedangkan leburan silikon yang mengandung pengotor dianggap sebagai larutan. Berdasarkan sifat koligatif larutan maka titik lebur silikon murni akan akan lebih tinggi dibanding titik lebur silikon yang tidak murni (bagian yang mengandung pengotor).

Hal ini menyebabkan pengotor cenderung mengumpul disilikon yang mengandung pengotor (bagian atas pada zona peleburan). Selama permurnian zona berlangsung maka bagian bawah yang merupakan silikon murni akan bertambah banyak sedangkan bagian atas semakin sedikit. Pengotor yang ada akan terkonsentrasi pada bagian yang sedikit tersebut.

Setelah leburan mengalami pembekuan maka akan diperoleh suatu batangan dimana salah satu ujung merupakan silikon paling murni sedangkan silikon yang lain merupakan silikon yang dipenuhi dengan pengotor atau bagian silikon yang paling tidak murni. Walaupun demikian terkadang bagian yang paling murni dari silikon ada pada bagian atas sedangkan bagian yang paling tidak murni berada pada bagian bawah. Bagian yang tidak murni dan tidak murni dapat dipisahkan dengan cara pemotongan.

    I.   Manfaat silikon

Ada banyak manfaat silikon, beberapa di antaranya adalah sebagai berikut.

·         Penggunaan penting dari silikon adalah dalam pembuatan transistor, chips, komputer dan sel surya. Untuk tujuan itu diperlukan silikon ultra murni. Silikon juga digunakan dalam berbagai jenis alloy dengan besi (baja). Sedangkan senyawa silikon digunakan dalam industri.

·         Silika dan silikat digunakan untuk membuat gelas, keramik, porselin dan semen.

·         Larutan pekat natrium silikat (Na₂SiO₃), suatu zat padat amorf yang tidak berwarna, yang disebut water glass, digunakan untuk pengawetan telur dan sebagai perekat, juga sebagai bahan pengisi (fillir) dalam detergen.

·         Silikon karbida (SiC), merupakan zat padat yang sangat keras digunakan untuk ampelas (abrasive) dan pelindung untuk pesawat ulang alik terhadap suhu yang tinggi sewaktu kembali ke bumi.

Silika gel, suatu zat padat amorf yang sangat berfori, dibuat dengan melepas sebagian air dari asam silikat (H₂SiO₃) atau (SiO_2.H₂O). Silika gel bersifat higroskopis (mengikat air) sehingga digunakan sebagai pengering dalam berbagai macam produk.