le silicium C'est un élément à la fois non métallique et métalloïde qui est représenté par le symbole chimique Si. C'est un semi-conducteur, qui est une partie essentielle des ordinateurs, calculatrices, téléphones portables, cellules solaires, diodes, etc. C'est pratiquement le composant principal qui a permis la mise en place de l'ère numérique.
Le silicium a toujours été présent dans le quartz et les silicates, les deux minéraux représentant environ 28% en masse de la croûte terrestre entière. C'est donc le deuxième élément le plus abondant à la surface de la Terre, et l'immensité des déserts et des plages offre une perspective de son abondance..
Le silicium appartient au groupe 14 du tableau périodique, le même que le carbone, situé en dessous. C'est pourquoi cet élément est considéré comme un métalloïde tétravalent; Il a quatre électrons de valence et en théorie, il peut tous les perdre pour former le cation Si4+.
Une propriété qu'elle partage avec le charbon est sa capacité à se relier; c'est-à-dire que leurs atomes sont liés de manière covalente pour définir des chaînes moléculaires. De même, le silicium peut former ses propres «hydrocarbures», appelés silanes..
Les composés prédominants du silicium dans la nature sont les fameux silicates. Dans sa forme pure, il peut se présenter sous la forme d'un solide monocristallin, polycristallin ou amorphe. C'est un solide relativement inerte, donc il ne représente pas de risques considérables.
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Le silicium est peut-être l'un des éléments qui a eu le plus d'influence dans l'histoire de l'humanité.
Cet élément est le protagoniste de l'âge de pierre, mais aussi de l'ère numérique. Ses origines remontent à l'époque où les civilisations travaillaient autrefois avec le quartz et fabriquaient leurs propres verres; et actuellement, c'est le principal composant des ordinateurs, ordinateurs portables et smartphones.
Le silicium a pratiquement été la pierre de deux époques clairement définies de notre histoire.
Puisque la silice est si abondante, un nom né de la roche de silex, elle doit avoir contenu un élément extrêmement riche dans la croûte terrestre; c'était le bon soupçon d'Antoine Lavoisier, qui, en 1787, échoua dans ses tentatives pour le réduire de sa rouille.
Quelque temps plus tard, en 1808, Humphry Davy fit ses propres tentatives et donna à l'élément son prénom: «silicium», qui se traduirait par «silex métal». Autrement dit, le silicium était alors considéré comme un métal en raison de son manque de caractérisation..
Puis, en 1811, les chimistes français Joseph L. Gay-Lussac et Louis Jacques Thénard réussirent à préparer pour la première fois du silicium amorphe. Pour cela, ils ont fait réagir le tétrafluorure de silicium avec du potassium métallique. Cependant, ils n'ont pas purifié ni caractérisé le produit obtenu, ils n'ont donc pas conclu qu'il s'agissait du nouvel élément silicium.
Ce n'est qu'en 1823 que le chimiste suédois Jacob Berzelius obtint un silicium amorphe d'une pureté suffisante pour le reconnaître comme silicium; nom donné en 1817 par le chimiste écossais Thomas Thomson en le considérant comme un élément non métallique. Berzelius a réalisé la réaction entre le fluorosilicate de potassium et le potassium fondu pour produire ce silicium.
Le silicium cristallin a été préparé pour la première fois en 1854 par le chimiste français Henry Deville. Pour y parvenir, Deville a procédé à une électrolyse d'un mélange de chlorures d'aluminium et de sodium, obtenant ainsi des cristaux de silicium recouverts d'une couche de siliciure d'aluminium, qu'il éliminait (apparemment) en les lavant à l'eau..
Le silicium dans sa forme pure ou élémentaire se compose d'un solide grisâtre ou bleu-noir (image du haut), qui, bien que n'étant pas un métal, a des faces brillantes comme s'il l'était vraiment.
C'est un solide dur mais cassant, qui présente également une surface squameuse s'il est composé de polycristaux. Le silicium amorphe, quant à lui, ressemble à un solide en poudre brun foncé. Grâce à cela, il est facile d'identifier et de différencier un type de silicium (cristallin ou polycristallin) d'un autre (amorphe).
28,085 g / mol
14 (14Oui)
1414 ºC
3265 ºC
-À température ambiante: 2,33 g / mL
-Juste au point de fusion: 2,57 g / ml
Notez que le silicium liquide est plus dense que le silicium solide; ce qui signifie que ses cristaux flotteront sur une phase liquide du même, comme cela se produit avec le système glace-eau. L'explication est due au fait que l'espace interatomique entre les atomes de Si dans leur cristal est plus grand (moins dense) que celui correspondant dans le liquide (plus dense).
50,21 kJ / mol
383 kJ / mol
19,789 J / (mol K)
1,90 sur l'échelle de Pauling
-Premièrement: 786,5 kJ / mol
-Deuxième: 1577,1 kJ / mol
-Troisième: 3231,6 kJ / mol
111 pm (mesuré sur leurs cristaux de diamant respectifs)
149 W / (m K)
2,3 103 Ω · m à 20 ºC
6,5
Les atomes de silicium ont la capacité de former de simples liaisons Si-Si, qui finissent par définir une chaîne (Si-Si-Si…).
Cette propriété se manifeste également par le carbone et le soufre; cependant, les hybridations sp3 le silicium est plus déficient par rapport à celui des deux autres éléments et, en plus, leurs orbitales 3p sont plus diffuses, donc le chevauchement des orbitales sp3 le résultat est plus faible.
Les énergies moyennes des liaisons covalentes Si-Si et C-C sont respectivement de 226 kJ / mol et 356 kJ / mol. Par conséquent, les liaisons Si-Si sont plus faibles. Pour cette raison, le silicium n'est pas la pierre angulaire de la vie (et le soufre non plus). En fait, la plus longue chaîne ou squelette que le silicium peut former est généralement à quatre chaînons (Si4).
Le silicium peut avoir l'un des nombres d'oxydation suivants, en supposant dans chacun d'eux l'existence d'ions avec leurs charges respectives: -4 (Si4-), -3 (Oui3-), -2 (Ouideux-), -1 (Oui-), +1 (Oui+), +2 (Ouideux+), +3 (Oui3+) et +4 (Oui4+). De tous, -4 et +4 sont les plus importants.
Par exemple, -4 est supposé dans les siliciures (MgdeuxOui ou Mgdeuxdeux+Oui4-); tandis que le +4 correspond à celui de la silice (SiOdeux ou oui4+OU ALORSdeuxdeux-).
Le silicium est complètement insoluble dans l'eau, ainsi que dans les acides ou bases forts. Cependant, il se dissout dans un mélange concentré d'acides nitrique et fluorhydrique (HNO3-HF). De même, il se dissout dans une solution alcaline chaude, avec la réaction chimique suivante se produisant:
Si (s) + 2NaOH (aq) + HdeuxO (l) => NadeuxOui3(aq) + 2Hdeux(g)
Le sel de métasilicate de sodium, NadeuxOui3, Il se forme également lorsque le silicium se dissout dans le carbonate de sodium fondu:
Si (s) + NadeuxCO3(l) => NadeuxOui3(l) + C (s)
À température ambiante, il ne réagit pas du tout avec l'oxygène, même pas à 900 ºC, lorsqu'une couche vitreuse protectrice de SiO commence à se formerdeux; puis, à 1400 ºC, le silicium réagit avec l'azote de l'air pour former un mélange de nitrures, SiN et Si3N4.
Le silicium réagit également à haute température avec les métaux pour former des siliciures métalliques:
2 Mg (s) + Si (s) => MgdeuxOui (s)
2Cu (s) + Si (s) => CudeuxOui (s)
À température ambiante, il réagit de manière explosive et directe avec les halogènes (il n'y a pas de couche de SiOdeux pour vous en protéger). Par exemple, nous avons la réaction de formation de SiF4:
Oui (s) + 2Fdeux(g) => SiF4(g)
Et bien que le silicium soit insoluble dans l'eau, il réagit au rouge chaud avec un courant de vapeur:
Oui (s) + HdeuxO (g) => SiOdeux(s) + 2Hdeux(g)
L'image ci-dessus montre la structure cubique centrée sur la face (fcc), la même que celle du diamant, pour le cristal de silicium. Les sphères grisâtres correspondent aux atomes de Si, qui, comme on peut le voir, sont liés de manière covalente les uns aux autres; de plus, ils ont des environnements tétraédriques qui se reproduisent le long du cristal.
Le cristal de silicium est fcc car on observe un atome de Si situé sur chacune des faces du cube (6x1 / 2). De même, il y a huit atomes de Si aux sommets du cube (8 × 1/8), et quatre situés à l'intérieur (ceux qui montrent un tétraèdre bien défini autour d'eux, 4 × 1).
Cela dit, chaque maille élémentaire a un total de huit atomes de silicium (3 + 1 + 4, nombres indiqués dans le paragraphe ci-dessus); caractéristique qui aide à expliquer sa dureté et sa rigidité élevées, car le silicium pur est un cristal covalent comme le diamant.
Ce caractère covalent est dû au fait que, comme le carbone, le silicium possède quatre électrons de valence selon sa configuration électronique:
[Ne] 3sdeux 3pdeux
Pour la liaison, les orbitales 3s et 2p pures sont inutiles. C'est pourquoi l'atome crée quatre orbitales hybrides sp3, avec lequel il peut former quatre liaisons covalentes Si-Si et, de cette manière, compléter l'octet de valence pour les deux atomes de silicium.
Le cristal de silicium est ensuite visualisé sous la forme d'un réseau tridimensionnel covalent composé de tétraèdres interconnectés..
Cependant, ce réseau n'est pas parfait, car il présente des défauts et des joints de grains, qui séparent et définissent un cristal d'un autre; et lorsque ces cristaux sont très petits et nombreux, on parle d'un solide polycristallin, identifié par son éclat hétérogène (semblable à une mosaïque d'argent ou à une surface écailleuse).
Les liaisons Si-Si, avec leurs électrons bien situés, sont en principe en désaccord avec ce que l'on attend d'un métal: une mer d'électrons «mouillant» ses atomes; du moins c'est le cas à température ambiante.
Cependant, lorsque la température augmente, le silicium commence à conduire l'électricité et se comporte donc comme un métal; c'est-à-dire qu'il s'agit d'un élément métalloïde semi-conducteur.
Les tétraèdres de silicium n'adoptent pas toujours un modèle structurel, mais peuvent être disposés de manière désordonnée; et même avec des atomes de silicium dont les hybridations ne semblent pas être sp3 mais spdeux, ce qui contribue à augmenter encore le degré de désordre. Par conséquent, on parle d'un silicium amorphe et non cristallin.
Dans le silicium amorphe, il existe des lacunes électroniques, où certains de ses atomes ont une orbitale avec un électron non apparié. Grâce à cela, son solide peut être hydrogéné, donnant lieu à la formation de silicium amorphe hydrogéné; c'est-à-dire qu'il a des liaisons Si-H, avec lesquelles les tétraèdres sont complétés dans des positions désordonnées et arbitraires.
Cette section se conclut ensuite en disant que le silicium peut être présenté en trois types de solides (sans mentionner son degré de pureté): cristallin, polycristallin et amorphe..
Chacun d'eux a sa propre méthode ou processus de production, ainsi que ses applications et ses compromis pour décider lequel des trois utiliser, en connaissant ses avantages et ses inconvénients..
Le silicium est le septième élément le plus abondant de l'Univers et le deuxième de la croûte terrestre, enrichissant également le manteau terrestre de sa vaste famille de minéraux. Cet élément s'associe extrêmement bien à l'oxygène, formant une large gamme d'oxydes; parmi eux, silice, SOdeux, et silicates (de composition chimique diverse).
La silice peut être vue à l'œil nu dans les déserts et les plages, car le sable est principalement composé de SiOdeux. À son tour, cet oxyde peut apparaître dans quelques polymorphes, les plus courants étant: quartz, améthyste, agate, cristobalite, tripoli, coésite, stishovite et tridymite. De plus, il peut être trouvé dans les solides amorphes tels que les opales et la terre de diatomées..
Les silicates, quant à eux, sont encore plus riches structurellement et chimiquement. Certains des minéraux silicatés comprennent: l'amiante (blanc, brun et bleuâtre), le feldspath, les argiles, les micas, les olivines, les aluminosilicates, les zéolites, les amphiboles et les pyroxènes.
Pratiquement toutes les roches sont composées de silicium et d'oxygène, avec leurs liaisons Si-O stables, et leurs silices et silicates mélangés à des oxydes métalliques et des espèces inorganiques..
Le problème de l'obtention du silicium est la rupture de ladite liaison Si-O, pour laquelle des fours spéciaux et une bonne stratégie de réduction sont nécessaires. La matière première pour ce processus est la silice sous forme de quartz, qui est préalablement broyée jusqu'à ce qu'elle soit une poudre fine..
A partir de cette silice broyée, du silicium amorphe ou polycristallin peut être préparé..
À petite échelle, réalisée en laboratoire et avec les mesures appropriées, la silice est mélangée à de la poudre de magnésium dans un creuset et incinérée à l'abri de l'air. La réaction suivante a alors lieu:
Ouideux(s) + Mg (s) => 2MgO (s) + Si (s)
Le magnésium et son oxyde sont éliminés avec une solution d'acide chlorhydrique diluée. Ensuite, le solide restant est traité avec de l'acide fluorhydrique, de sorte que le SiO finit de réagirdeux en excès; sinon, l'excès de magnésium favorise la formation de son siliciure respectif, MgdeuxOui, composé indésirable pour le processus.
Le SiOdeux devient le gaz volatil SiF4, qui est récupéré pour d'autres synthèses chimiques. Enfin, la masse de silicium amorphe est séchée sous un courant d'hydrogène gazeux..
Une autre méthode similaire pour obtenir du silicium amorphe consiste à utiliser le même SiF4 précédemment produit, ou le SiCl4 (précédemment acheté). Les vapeurs de ces halogénures de silicium sont passées sur du sodium liquide dans une atmosphère inerte, de sorte que la réduction du gaz peut avoir lieu sans présence d'oxygène:
SiCl4(g) + 4Na (l) => Si (s) + 4NaCl (l)
Fait intéressant, le silicium amorphe est utilisé pour fabriquer des panneaux solaires à haute efficacité énergétique.
Repartant de la silice ou du quartz pulvérisés, ils sont conduits dans un four électrique à arc, où ils réagissent avec le coke. De cette manière, l'agent réducteur n'est plus un métal mais un matériau carboné de haute pureté:
Ouideux(s) + 2C (s) => Si (s) + 2CO (g)
La réaction produit également du carbure de silicium, SiC, qui est neutralisé avec un excès de SiOdeux (encore une fois, le quartz est en excès):
2SiC (s) + SiOdeux(s) => 3Si (s) + 2CO (g)
Une autre méthode pour préparer du silicium cristallin consiste à utiliser l'aluminium comme agent réducteur:
3 OUIdeux(s) + 4Al (l) => 3Si (s) + 2AldeuxOU ALORS3(s)
Et à partir du sel d'hexafluorurosilicate de potassium, Kdeux[SiF6], il est également mis à réagir avec de l'aluminium métallique ou du potassium pour produire le même produit:
Kdeux[SiF6] (l) + 4Al (l) => 3Si (s) + 6KF (l) + 4AlF3(g)
Le silicium se dissout immédiatement dans l'aluminium fondu, et lorsque le système est refroidi, le premier cristallise et se sépare du second; c'est-à-dire que des cristaux de silicium se forment, qui apparaissent de couleurs grisâtres.
Contrairement aux autres synthèses ou productions, pour obtenir du silicium polycristallin on part d'une phase gazeuse de silane, SiH4. Ce gaz est soumis à une pyrolyse au-dessus de 500 ºC, de telle sorte qu'une décomposition thermique se produit et ainsi, à partir de ses vapeurs initiales, des polycristaux de silicium finissent par se déposer sur une surface semi-conductrice..
L'équation chimique suivante illustre la réaction qui a lieu:
Oui H4(g) => Si (s) + Hdeux(g)
De toute évidence, il ne devrait pas y avoir d'oxygène dans la chambre, car il réagirait avec le SiH4:
Oui H4(g) + 2Odeux(g) => SiOdeux(s) + 2HdeuxO (g)
Et la spontanéité de la réaction de combustion est telle qu'elle se produit rapidement à température ambiante avec une exposition minimale du silane à l'air..
Une autre voie synthétique pour produire ce type de silicium part du silicium cristallin comme matière première. Ils le font réagir avec le chlorure d'hydrogène à une température voisine de 300 ºC, de sorte que le trichlorosilane se forme ainsi:
Si (s) + 3HCl (g) => SiCl3H (g) + Hdeux(g)
Et le SiCl3H réagit à 1100 ºC pour régénérer le silicium, mais maintenant polycristallin:
4SiCl3H (g) => Si (s) + 3SiCl4(g) + 2Hdeux(g)
Il suffit de regarder les équations pour avoir une idée du travail et des paramètres de production rigoureux qui doivent être pris en compte..
Le silicium se produit naturellement et principalement sous forme d'isotope 28Oui, avec une abondance de 92,23%.
En plus de cela, il existe deux autres isotopes qui sont stables et ne subissent donc pas de désintégration radioactive: 29Oui, avec une abondance de 4,67%; Oui 30Oui, avec une abondance de 3,10%. Être si abondant le 28Oui, il n'est pas surprenant que le poids atomique du silicium soit de 28,084 u.
Le silicium peut également être trouvé dans plusieurs radio-isotopes, parmi lesquels les 31Oui (t1/2= 2,62 heures) et 32Oui (t1/2= 153 ans). Les autres (22Oui - 44S'ils ont t1/2 très court ou bref (moins de centièmes de seconde).
Le silicium pur est une substance relativement inerte, de sorte qu'il ne s'accumule généralement dans aucun organe ou tissu tant que son exposition est faible. Sous forme de poudre, il peut irriter les yeux, provoquant des larmes ou des rougeurs, tandis que le toucher peut provoquer une gêne cutanée, des démangeaisons et une desquamation..
Lorsque l'exposition est très élevée, le silicium peut endommager les poumons; mais sans séquelles, à moins que la quantité soit suffisante pour provoquer la suffocation. Cependant, ce n'est pas le cas du quartz, qui est associé au cancer du poumon et à des maladies telles que la bronchite et l'emphysème..
De même, le silicium pur est très rare dans la nature et ses composés, si abondants dans la croûte terrestre, ne présentent aucun risque pour l'environnement..
Or, en ce qui concerne les organosilicium, ceux-ci pourraient être toxiques; Mais comme ils sont nombreux, cela dépend de celui qui est considéré, ainsi que d'autres facteurs (réactivité, pH, mécanisme d'action, etc.).
Les minéraux de silicium constituent la «pierre» avec laquelle les bâtiments, les maisons ou les monuments sont construits. Par exemple, les ciments, bétons, stucs et briques réfractaires sont constitués de mélanges solides à base de silicates. A partir de cette approche, on peut imaginer l'utilité de cet élément dans les villes et en architecture..
Les cristaux utilisés dans les dispositifs optiques peuvent être fabriqués à partir de silice, que ce soit comme isolants, cellules d'échantillonnage, spectrophotomètres, cristaux piézoélectriques ou simples lentilles..
De même, lorsque le matériau est préparé avec de multiples additifs, il finit par se transformer en un solide amorphe, bien connu sous le nom de verre; et les montagnes de sable sont généralement la source de la silice ou du quartz nécessaire à sa production. D'autre part, avec des silicates, des matériaux céramiques et des porcelaines sont fabriqués.
Idées entrelacées, le silicium est également présent dans l'artisanat et l'ornementation.
Les atomes de silicium peuvent fusionner et être miscibles avec une matrice métallique, ce qui en fait un additif pour de nombreux alliages ou métaux; par exemple, l'acier, pour fabriquer des noyaux magnétiques; bronzes, pour la fabrication de câbles téléphoniques; et aluminium, dans la production de l'alliage aluminium-silicium destiné aux pièces automobiles légères.
Par conséquent, il ne se trouve pas seulement dans la «pierre» des bâtiments, mais aussi dans les métaux de leurs colonnes..
La silice, sous forme de gel ou amorphe, permet de fabriquer des solides qui agissent comme desséchants en piégeant les molécules d'eau qui pénètrent dans le récipient et en gardant son intérieur sec..
Des couches de silicium d'épaisseurs et de couleurs différentes font partie des puces informatiques, car avec leur solide (cristallin ou amorphe), des circuits intégrés et des cellules solaires ont été conçus.
Étant un semi-conducteur, il incorpore des atomes avec moins (Al, B, Ga) ou plus d'électrons (P, As, Sb) pour le transformer en semi-conducteurs du type p ou alors n, respectivement. Avec les jonctions de deux silicones, une n et l'autre p, des diodes électroluminescentes sont fabriquées.
La célèbre colle silicone est constituée d'un polymère organique soutenu par la stabilité des chaînes de liaisons Si-O-Si ... Si ces chaînes sont très longues, courtes ou réticulées, les propriétés du polymère silicone changent, ainsi que leurs applications finales..
Parmi ses utilisations, énumérées ci-dessous, on peut citer:
-Colles ou adhésifs, non seulement pour joindre des papiers, mais des blocs de construction, des caoutchoucs, des panneaux de verre, des roches, etc..
-Lubrifiants dans les systèmes de freinage hydrauliques
-Renforce les peintures et améliore la luminosité et l'intensité de leurs couleurs, tout en leur permettant de résister aux changements de température sans craqueler ni ronger.
-Ils sont utilisés comme sprays hydrofuges, qui gardent certaines surfaces ou objets secs
-Ils donnent aux produits d'hygiène intime (dentifrices, shampooings, gels, crèmes à raser, etc.) la sensation d'être soyeux
-Ses revêtements protègent les composants électroniques des appareils délicats, tels que les microprocesseurs, de la chaleur et de l'humidité
-Avec les polymères de silicone, plusieurs des billes de caoutchouc ont été faites qui rebondissent dès qu'elles sont tombées au sol..
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