Silicium: caractéristiques, caractéristiques et applications

En tant qu'élément chimique indépendant, le silicium n'est devenu connu de l'humanité qu'en 1825. Ce qui, bien entendu, n'a pas empêché l'utilisation de composés du silicium dans tant de sphères qu'il est plus facile d'énumérer celles où l'élément n'est pas utilisé. Cet article mettra en lumière les propriétés physiques, mécaniques et chimiques utiles du silicium et de ses composés, ses applications, nous parlerons également de la façon dont le silicium affecte les propriétés de l'acier et d'autres métaux.

Qu'est-ce que le silicium?

Arrêtons-nous d'abord sur les caractéristiques générales du silicium. De 27,6 à 29,5% de la masse de la croûte terrestre est du silicium. Dans l'eau de mer, la concentration en éléments est également considérable - jusqu'à 3 mg / l.

En termes de prévalence dans la lithosphère, le silicium occupe la deuxième place d'honneur après l'oxygène. Cependant, sa forme la plus célèbre - la silice, est le dioxyde, et ce sont ses propriétés qui sont devenues la base d'une utilisation aussi répandue..

À propos de ce qu'est le silicium, cette vidéo raconte:

Concept et caractéristiques

Le silicium est non métallique, mais dans différentes conditions, il peut présenter des propriétés acides et basiques. Il s'agit d'un semi-conducteur typique et il est extrêmement largement utilisé en génie électrique. Ses propriétés physiques et chimiques sont largement déterminées par l'état allotrope. Le plus souvent, il s'agit d'une forme cristalline, car ses qualités sont plus recherchées dans l'économie nationale.

  • Le silicium est l'un des macronutriments de base dans le corps humain. Son manque nuit à l'état des tissus osseux, des cheveux, de la peau et des ongles. De plus, le silicium affecte les performances du système immunitaire..
  • En médecine, un élément, ou plutôt ses composés trouvent leur première application dans cette qualité. L'eau des puits aménagés avec du silicium était non seulement propre, mais avait également un effet positif sur la résistance aux maladies infectieuses. Aujourd'hui, un composé contenant du silicium sert de base à des médicaments contre la tuberculose, l'athérosclérose, l'arthrite.
  • En général, le non-métal est inactif, mais sous sa forme pure, il est difficile à rencontrer. Cela est dû au fait que dans l'air, il est rapidement passivé par une couche de dioxyde et cesse de réagir. Lorsqu'elle est chauffée, l'activité chimique augmente. En conséquence, l'humanité est beaucoup plus familière avec les composés de la matière et non avec elle-même..

Le non-métal est placé dans le tableau de D. I. Mendeleev dans le groupe 6 avec le carbone, le germanium et l'étain, ce qui indique une certaine généralité avec ces substances. Ainsi, il est «lié» au carbone par sa capacité à former des composés de type organique. Dans ce cas, le silicium, comme le germanium, peut présenter des propriétés métalliques dans certaines réactions chimiques, qui est utilisé dans la synthèse.

Avantages et inconvénients

Comme toute autre substance du point de vue de son application dans l'économie nationale, le silicium possède certaines qualités utiles ou pas très bonnes. Ils sont importants précisément pour déterminer le domaine d'utilisation..

  • Un avantage considérable d'une substance est sa disponibilité. Certes, ce n'est pas dans sa forme libre dans la nature, mais néanmoins, la technologie de production de silicium n'est pas si compliquée, bien qu'elle soit consommatrice d'énergie.
  • Le deuxième avantage le plus important est la formation de nombreux composés aux propriétés inhabituellement utiles. Ce sont des silanes, des siliciures et du dioxyde, et, bien sûr, une variété de silicates. La capacité du silicium et de ses composés à former des solutions solides complexes est presque infinie, ce qui vous permet de recevoir à l'infini une variété de variations de verre, de pierre et de céramique.
  • Les propriétés semi-conductrices du non-métal lui fournissent la place du matériau de base dans l'ingénierie électrique et radio.
  • Le non-métal est non-toxique, qui peut être utilisé dans n'importe quelle industrie, et en même temps ne transforme pas le processus en un environnement potentiellement dangereux.

Les inconvénients du matériau comprennent uniquement une fragilité relative avec une bonne dureté. Le silicium n'est pas utilisé pour les structures porteuses, mais cette combinaison vous permet de traiter correctement la surface des cristaux, ce qui est important pour l'instrumentation.

Parlons des propriétés de base du silicium..

Propriétés et caractéristiques

Le silicium cristallin étant le plus souvent utilisé dans l'industrie, ce sont précisément ses propriétés qui sont les plus importantes, et elles sont données dans les spécifications techniques. Les propriétés physiques de la substance sont les suivantes:

  • point de fusion - 1417 C;
  • point d'ébullition - 2600 C;
  • la densité est de 2,33 g / cu. voir, indiquant la fragilité;
  • la capacité thermique, ainsi que la conductivité thermique, ne sont pas constantes même sur les échantillons les plus purs: 800 J / (kg · K), ou 0,191 cal / (g · deg) et 84-126 W / (m · K), ou 0,20-0, 30 cal / (cm · sec · ville), respectivement;
  • transparent pour le rayonnement infrarouge à ondes longues, qui est utilisé dans l'optique infrarouge;
  • constante diélectrique - 1,17;
  • Dureté Mohs - 7.

Les propriétés électriques du non-métal dépendent fortement des impuretés. Dans l'industrie, cette fonction est utilisée en modulant le type de semi-conducteur souhaité. Le silicium est fragile à température normale, mais une déformation plastique est possible lorsqu'il est chauffé au-dessus de 800 C.

La structure et la composition chimique, ainsi que les propriétés du silicium sont discutées dans la vidéo ci-dessous:

Composition et structure

Le silicium existe sous deux formes allotropes, également stables à température normale.

  • Cristallin a l'apparence d'une poudre gris foncé. La substance, bien qu'elle ait un réseau cristallin de type diamant, est fragile en raison de la liaison excessivement longue entre les atomes. Ses propriétés semi-conductrices sont intéressantes..
  • A des pressions très élevées, une modification hexagonale d'une densité de 2,55 g / cu peut être obtenue. voir Cependant, cette phase d'importance pratique n'a pas encore été trouvée.
  • Amorphe - poudre brun-brun. Contrairement à la forme cristalline, elle réagit beaucoup plus activement. Cela est dû non pas tant à l'inertie de la première forme, mais au fait que dans l'air la substance est recouverte d'une couche de dioxyde.

De plus, il est nécessaire de prendre en compte un autre type de classification associé à la taille du cristal de silicium, qui forment ensemble une substance. Le réseau cristallin, comme vous le savez, suggère l'ordre non seulement des atomes, mais aussi des structures que ces atomes forment - l'ordre dit à longue portée. Plus elle est grande, plus les propriétés de la substance seront homogènes..

  • Monocristallin - l'échantillon est un monocristal. Sa structure est aussi rationalisée que possible, ses propriétés sont homogènes et bien prévisibles. Ce sont ces matériaux qui sont les plus demandés en génie électrique. Cependant, il appartient aux espèces les plus chères, car le processus d'obtention est compliqué et le taux de croissance est faible.
  • Multicristallin - l'échantillon comprend un certain nombre de gros grains cristallins. Les frontières entre eux forment des niveaux défectueux supplémentaires, ce qui réduit les performances de l'échantillon en tant que semi-conducteur et conduit à une usure plus rapide. La technologie de croissance d'un multicristal est plus simple, car le matériau est moins cher.
  • Polycristallin - se compose d'un grand nombre de grains situés au hasard les uns par rapport aux autres. Il s'agit de la plus pure variété de silicium industriel, utilisée en microélectronique et en énergie solaire. Assez souvent utilisé comme matière première pour la croissance de monocristaux et multicristaux.
  • Le silicium amorphe occupe également une position distincte dans cette classification. Ici, la disposition des atomes n'est maintenue qu'aux distances les plus courtes. Cependant, en génie électrique, il est toujours utilisé sous forme de films minces.

Ensuite, nous vous parlerons des matières premières pour la production de silicium, de la nocivité de l'exploitation minière, de la technologie de sa fabrication à l'échelle mondiale et en Russie.

Production non métallique

Obtenir du silicium pur n'est pas si facile, compte tenu de l'inertie de ses composés et du point de fusion élevé de la plupart d'entre eux. Dans l'industrie, ils recourent le plus souvent à la réduction des émissions de dioxyde de carbone. La réaction est réalisée dans des fours à arc à une température de 1800 C. On obtient ainsi du non-métal d'une pureté de 99,9%, ce qui n'est pas suffisant pour son utilisation.

Le matériau résultant est chloré afin d'obtenir des chlorures et des chlorhydrates. Ensuite, les composés sont purifiés par toutes les méthodes possibles des impuretés et réduits avec de l'hydrogène.

Il est également possible de purifier la substance en obtenant du siliciure de magnésium. Le siliciure est exposé à l'acide chlorhydrique ou acétique. Le silane est obtenu et ce dernier est purifié par diverses méthodes - sorption, distillation, etc. Ensuite, le silane est décomposé en hydrogène et en silicium à une température de 1000 C. Dans ce cas, une substance est obtenue avec une fraction d'impuretés de 10 -8-10 -6%.

Consommation de substances

Pour l'industrie, les caractéristiques électrophysiques du non-métal sont les plus intéressantes. Sa forme monocristalline est un semi-conducteur indirect. Ses propriétés sont déterminées par les impuretés, ce qui permet d'obtenir des cristaux de silicium aux propriétés souhaitées. Ainsi, l'ajout de bore, d'aluminium, d'indium permet de faire croître un cristal à conductivité de trou, et l'introduction de phosphore ou d'arsenic - un cristal à conductivité électronique.

  • Le silicium au sens littéral du terme sert de base à l'ingénierie électrique moderne. Des transistors, des photocellules, des circuits intégrés, des diodes, etc. sont fabriqués à partir de celui-ci. De plus, la fonctionnalité de l'instrument ne détermine presque toujours que la couche superficielle du cristal, ce qui conduit à des exigences très spécifiques pour le traitement de surface.
  • En métallurgie, le silicium technique est utilisé à la fois comme modificateur d'alliage - il donne une plus grande résistance, et comme composant dans les bronzes, par exemple, et comme désoxydant dans la production de fonte.
  • La métallurgie ultra pure et raffinée constitue la base de l'énergie solaire.
  • Le dioxyde non métallique se trouve dans la nature sous des formes très différentes. Ses variétés cristallines - opale, agate, cornaline, améthyste, cristal de roche, ont trouvé leur place dans les bijoux. Des modifications d'aspect moins attrayant - silex, sable, quartz, sont utilisées en métallurgie, en construction et en radioélectronique.
  • La connexion du non-métal avec le carbure de carbone est utilisée en métallurgie, en instrumentation et dans l'industrie chimique. Il s'agit d'un semi-conducteur à large intervalle, caractérisé par une dureté élevée - 7 sur l'échelle de Mohs, et une résistance qui lui permet d'être utilisé comme matériau abrasif.
  • Silicates - c'est-à-dire les sels d'acide silicique. Instable, facilement décomposé par la température. Leur caractère remarquable est qu'ils forment des sels nombreux et divers. Mais ces derniers sont à la base de la production de verre, céramique, faïence, cristal, ciment et béton. On peut dire en toute sécurité que la construction moderne est basée sur une variété de silicates.
  • Le verre représente ici le cas le plus intéressant. Il est basé sur des aluminosilicates, mais des impuretés insignifiantes d'autres substances - généralement des oxydes - confèrent au matériau de nombreuses propriétés différentes, y compris la couleur. Céramique - clinker, faïence, porcelaine, en fait, a la même formule, bien qu'avec un rapport de composants différent, et sa variété est également étonnante.
  • Le non-métal a une autre capacité: il forme des composés de carbone sous la forme d'une longue chaîne d'atomes de silicium. Ces composés sont appelés organosilicium. La portée de leur application n'est pas moins connue - ce sont les silicones, les mastics, les lubrifiants, etc..

Le silicium est un élément très courant et revêt une très grande importance dans de très nombreux domaines de l'économie nationale. De plus, non seulement la substance elle-même est activement utilisée, mais tous ses composés divers et nombreux.

Cette vidéo parlera des propriétés et des applications du silicium:

Silicium (Si)

Composés de silicium:

Sous sa forme pure, le silicium a été isolé pour la première fois en 1811 (les français J.L. Gay-Lussac et L.J. Tenard). Du silicium élémentaire pur a été obtenu en 1825 (Suédois J. Ya. Berzelius). L'élément chimique a obtenu son nom de "silicium" (traduit du grec ancien - montagne) en 1834 (chimiste russe G.I. Hess).

Le silicium est l'élément chimique le plus courant (après l'oxygène) sur Terre (la teneur en croûte terrestre est de 28 à 29% en poids). Dans la nature, le silicium est le plus souvent présent sous forme de silice (sable, quartz, silex, feldspaths), ainsi que dans les silicates et les aluminosilicates. Dans sa forme pure, le silicium est extrêmement rare. De nombreux silicates naturels sous leur forme pure sont des pierres précieuses: émeraude, topaze, aquamari - c'est tout du silicium. L'oxyde de silicium cristallin pur (IV) se trouve sous forme de cristal de roche et de quartz. La silice, dans laquelle diverses impuretés sont présentes, forme des pierres précieuses et semi-précieuses - améthyste, agate, jaspe.


Figure. La structure de l'atome de silicium.

La configuration électronique du silicium est 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 (voir. Structure électronique des atomes). Au niveau de l'énergie externe, le silicium a 4 électrons: 2 appariés au sous-niveau 3s + 2 non appariés aux p-orbitales. Lors de la transition de l'atome de silicium à l'état excité, un électron du sous-niveau s «quitte» sa paire et passe au sous-niveau p, où il y a une orbite libre. Ainsi, à l'état excité, la configuration électronique de l'atome de silicium prend la forme suivante: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3.


Figure. Transition d'un atome de silicium à un état excité.

Ainsi, le silicium dans les composés peut présenter une valence de 4 (le plus souvent) ou 2 (voir. Valence). Le silicium (comme le carbone), réagissant avec d'autres éléments, forme des liaisons chimiques dans lesquelles il peut à la fois donner et recevoir ses électrons, mais la capacité d'accepter les électrons des atomes de silicium est moins prononcée que celle des atomes de carbone, en raison de plus grand atome de silicium.

L'état d'oxydation du silicium:

  • -4: SiH4 (silane), Ca2Si, Mg2Si (silicates métalliques);
  • +4 - le plus stable: SiO2 (oxyde de silicium), H2SiO3 (acide silicique), les silicates et les halogénures de silicium;
  • 0: Si (substance simple)

Le silicium comme substance simple

Le silicium est une substance cristalline gris foncé avec un éclat métallique. Le silicium cristallin est un semi-conducteur.

Le silicium ne forme qu'une seule modification allotropique, semblable au diamant, mais pas si forte, car les liaisons Si-Si ne sont pas aussi fortes que dans une molécule de carbone de diamant (voir. Diamant).

Silicium amorphe - poudre brune, avec un point de fusion de 1420 ° C.

Le silicium cristallin est obtenu à partir de silicium amorphe par recristallisation. Contrairement au silicium amorphe, qui est une substance chimique assez active, le silicium cristallin est plus inerte en termes d'interaction avec d'autres substances.

La structure du réseau cristallin de silicium répète la structure du diamant - chaque atome est entouré de quatre autres atomes situés aux sommets du tétraèdre. Les atomes sont liés les uns aux autres par des liaisons covalentes, qui ne sont pas aussi fortes que les liaisons carbone du diamant. Pour cette raison, même avec n.o. certaines liaisons covalentes dans le silicium cristallin sont détruites, entraînant la libération de certains électrons, en raison de laquelle le silicium a une faible conductivité électrique. Lorsque le silicium est chauffé, à la lumière ou lors de l'ajout de certaines impuretés, le nombre de liaisons covalentes qui peuvent être détruites augmente et, par conséquent, le nombre d'électrons libres augmente.Par conséquent, la conductivité du silicium augmente également..

Propriétés chimiques du silicium

Comme le carbone, le silicium peut être à la fois un agent réducteur et un agent oxydant, selon la substance avec laquelle il réagit..

Chez nu le silicium n'interagit qu'avec le fluor, ce qui s'explique par un réseau cristallin de silicium suffisamment fort.

Le silicium réagit avec le chlore et le brome à des températures supérieures à 400 ° C.

Le silicium n'interagit avec le carbone et l'azote qu'à des températures très élevées..

  • Dans les réactions avec les non-métaux, le silicium agit comme un agent réducteur:
    • dans des conditions normales de non-métaux, le silicium ne réagit qu'avec le fluor, formant un halogénure de silicium:
      Si + 2F2 = SiF4
    • à haute température, le silicium réagit avec le chlore (400 ° C), l'oxygène (600 ° C), l'azote (1000 ° C), le carbone (2000 ° C):
      • Si + 2Cl2 = SiCl4 - halogénure de silicium;
      • Si + O2 = SiO2 - silice;
      • 3Si + 2N2 = Si3N4 - nitrure de silicium;
      • Si + C = SiC - carborundum (carbure de silicium)
  • Dans les réactions avec les métaux, le silicium est un agent oxydant (des salicides se forment:
    Si + 2Mg = Mg2Si
  • Dans les réactions avec des solutions alcalines concentrées, le silicium réagit avec l'évolution de l'hydrogène pour former des sels d'acide silicique solubles appelés silicates:
    Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2
  • Le silicium ne réagit pas avec les acides (sauf HF).

Préparation et utilisation du silicium

Production de silicium:

  • en laboratoire - à partir de silice (alumothérapie):
    3SiO2 + 4Al = 3Si + 2Al2O3
  • dans l'industrie - réduction de l'oxyde de silicium avec du coke (silicium techniquement pur) à haute température:
    SiO2 + 2C = Si + 2CO
  • le silicium le plus pur est obtenu en réduisant le tétrachlorure de silicium avec de l'hydrogène (zinc) à haute température:
    SiCl4+2H2 = Si + 4HCl

Application de silicium:

  • fabrication d'éléments radio à semi-conducteurs;
  • comme additifs métallurgiques dans la production de composés résistants à la chaleur et aux acides;
  • dans la production de cellules solaires;
  • comme redresseurs AC.

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Silicium c'est quoi

Le silicium a découvert et reçu en 1823 le chimiste suédois Jens Jacob Berzelius.

Le deuxième élément le plus abondant dans la croûte terrestre après l'oxygène (27,6% en poids). Trouvé dans les composés.

La structure de l'atome de silicium à l'état fondamental

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

La structure de l'atome de silicium à l'état excité

1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3

Degré d'oxydation: +4, -4.

Le silicium amorphe et cristallin est connu..

Cristallin - une substance gris foncé avec un éclat métallique, une dureté élevée, fragile, semi-conducteur; ρ = 2,33 g / cm 3, t ° pl. = 1415 ° C; t ° kip. = 2680 ° C.

Il a une structure de type diamant et forme de fortes liaisons covalentes. Inerte.

Amorphe - poudre brune, hygroscopique, structure de type diamant, ρ = 2 g / cm 3, plus réactif.

1) Industrie - chauffer le charbon avec du sable:

2C + SiO2 t ˚ → Si + 2CO

Non métallique typique, inerte.

2) Avec du fluor (sans chauffage)

Si 0 + C t ˚ → Si +4 C

(SiC - carborundum - solide; utilisé pour le pointage et le meulage)

4) N'interagit pas avec l'hydrogène.

Silane (SiH4) sont obtenus par décomposition de siliciures métalliques avec de l'acide:

Il n'est soluble que dans un mélange d'acides nitrique et fluorhydrique:

6) Avec des alcalis (lorsqu'ils sont chauffés):

7) Avec les métaux (il se forme des siliciures):

Si 0 + 2Mg t ˚ → Mg2Si -4

Le silicium est largement utilisé en électronique comme semi-conducteur. Les additifs de silicium aux alliages augmentent leur résistance à la corrosion. Silicates, aluminosilicates et silice - les principales matières premières pour la production de verre et de céramique, ainsi que pour l'industrie de la construction.
Le silicium dans la technique
L'utilisation du silicium et de ses composés

Propriétés physiques: Gaz incolore, toxique, t ° pl. = -185 ° C, t ° balle = -112 ° C.

Le réseau cristallin d'oxyde de silicium (IV) est atomique et a la structure suivante:

Al2O3 • 2SiO2 • 2H2O - kaolinite (partie principale de l'argile)

Propriétés physiques: Solide, cristallin, substance réfractaire, t ° pl. = 1728 ° C, t ° bp. = 2590 ° C

Oxyde d'acide. Pendant la fusion, il interagit avec les oxydes basiques, les alcalins, ainsi qu'avec les carbonates des métaux alcalins et alcalino-terreux:

1) Avec des oxydes basiques:

5) Avec de l'acide fluorhydrique:

(les réactions sous-tendent le processus de gravure du verre).

1. Production de briques de silicate

2. La fabrication de produits céramiques

3. Production de verre

x = 1, y = 1 H2SiO3 - acide métasilicique

x = 1, y = 2 H4SiO4 - acide orthosilicique, etc..

Propriétés physiques: H2SiO3 - très faible (plus faible que le charbon), fragile, peu soluble dans l'eau (forme une solution colloïdale), n'a pas de goût acide.

L'action des acides forts sur les silicates - Na2SiO3 + 2HCl → 2NaCl + H2SiO3

Se décompose en chauffant: H2SiO3 t ˚ → H2O + SiO2

Sels d'acide silicique - Silicates.

3) Les silicates qui composent les minéraux dans des conditions naturelles sont détruits par l'action de l'eau et du monoxyde de carbone (IV) - altération des roches:

L'utilisation de composés de silicium

Composés naturels de silicium - sable (SiO2) et les silicates sont utilisés pour la production de céramiques, de verre et de ciment.

Porcelaine = kaolin + argile + quartz + feldspath. Le berceau de la porcelaine est la Chine, où la porcelaine est déjà connue en 220g. En 1746, la production de porcelaine en Russie a été établie.

Faïence - du nom de la ville italienne de Faenza. Où, au 14-15e siècle, l'artisanat en céramique a été développé. Faïence - diffère de la porcelaine par une teneur élevée en argile (85%), une température de cuisson inférieure.

Le verre est un matériau fragile et transparent qui peut ramollir et prend toute forme une fois solidifié. Le verre est obtenu par cuisson du mélange (un mélange brut composé de sable, de soude et de calcaire) dans des fours de fusion de verre spéciaux.

Les principales réactions survenant lors de la fusion de la charge

L'ajout d'oxyde de plomb donne du cristal.

Ciment - clinker finement broyé avec des additifs minéraux.

Clinker - des boules de couleur gris foncé sont obtenues par frittage d'argile et de calcaire dans des fours rotatifs spéciaux

La valeur du silicium pour le corps humain

Le fait que le silicium joue un rôle énorme pour le corps humain, étant un élément nécessaire de la santé, j'ai appris quand je suis devenu adulte.

L'absence de cet élément affecte les processus métaboliques, compromettant la santé humaine, le corps commence à vieillir rapidement. Les maladies se forment l'une après l'autre, se développant comme une boule de neige.

La carence en silicium dans le corps affecte le travail des organes et des systèmes internes, les vaisseaux sanguins, les os, les tendons, la peau, la mémoire - ici, vous avez un âge précoce.

Même les plantes avec sa carence dans le sol commencent à faire mal, et si cela ne suffit pas dans l'eau de mer, la croissance des algues s'arrête.

Il s'agit d'un élément chimique aussi important pour la santé que le sélénium, dont j'ai déjà parlé. Lisez ici et ici..

Où le silicium se trouve dans la nature?

Beaucoup d'entre nous connaissent le silicium depuis l'enfance, ou plutôt l'un de ses composés. Les cailloux gris discrets, dont nous avons sculpté une étincelle pour allumer un feu, étaient particulièrement populaires chez nous..

Minéral - silex, formé au Crétacé à partir des restes de plantes et d'animaux du monde sous-marin, dans lesquels le dioxyde de silicium est présent. Comme vous vous en souvenez, depuis le cours d'histoire de l'école, les gens fabriquaient des outils à partir de cette pierre dans les temps anciens (astuces, haches...)

Qu'est-ce que le silicium?

L'élément chimique silicium dans le tableau périodique est numéroté 14. Il s'agit d'un non-métal, le nom latin du silicium est (Silicium) - Si.

Le silicium est si commun dans la nature qu'il occupe la deuxième place après l'oxygène et représente 30%; il y a environ 400 minéraux dans l'hydrosphère, la lithosphère et la biosphère dans lesquels il est contenu. Une grande quantité de cet élément est présente dans l'eau de mer, jusqu'à 3 mg. par litre d'eau.

Un grand nombre de composés différents de cet élément, une personne utilise pour la fabrication d'équipements, de verre, de matériaux de décoration et de construction, de bijoux.

Le silicium dans la nature est présent sous la forme de deux modifications allotropes, elles sont quelque peu similaires, mais elles diffèrent également par la structure du réseau cristallin et ses propriétés, il s'agit de silicium cristallin et amorphe.

Où se trouve dans la nature

Le silicium sous sa forme pure ne se produit pas dans la nature, les composés du silicium contiennent des roches, du sol, de l'eau de mer, des plantes et la vie marine, des animaux terrestres et le corps humain.

Les entrailles de la terre stockent une énorme quantité de minéraux à teneur en silicium. La forme la plus courante des composés naturels du silicium est la silice, les silicates et les aluminosilicates..

Parmi les composés de silicium sont largement distribués:

  • composés binaires avec des non-métaux (silane, carbure, nitrure, phosphure...), nous connaissons les silanes qui les rencontrent au quotidien sous forme de caoutchouc, silicone, lubrifiants, émulsions;
  • oxydes, dioxydes (calcédoine et agate, améthyste et jaspe, cristal de roche et opale, quartz et sable de quartz, feldspaths);
  • acide silicique et silicates (verre, porcelaine, faïence, zéolithe, ciment..);

Silicium pour le corps humain

Parmi les propriétés les plus importantes du silicium qui affectent la santé humaine figurent:

  • effet bénéfique sur l'absorption du calcium et la croissance osseuse;
  • stimulation des systèmes nerveux et immunitaire;
  • régulation métabolique, stimulant la formation de la plupart des enzymes, acides aminés et hormones;
  • influence sur la digestibilité du calcium, du magnésium, du strontium et d'autres oligo-éléments..

Le rôle biologique du silicium pour le corps est énorme, car il contient des tissus osseux et musculaires, il est concentré dans la glande thyroïde et les glandes surrénales, l'hypophyse et les ganglions lymphatiques, mais il est le plus présent dans le sang humain, où sa concentration atteint 3,9 mg par litre de sang. Il y a beaucoup de silicium dans les cellules des cheveux, de la peau et des ongles.

Le silicium dans le corps humain fait partie intégrante du collagène et le collagène (protéine), avec l'élastine, soutient la structure du tissu conjonctif, lui conférant l'élasticité et la force présentes dans tout le corps.

Après tout, la peau, le cartilage, les ligaments, ce sont tous des tissus conjonctifs. En raison du manque de collagène (dont l'état normal dépend de la présence de silicium), ils perdent leur fermeté et leur élasticité, ce qui conduit à l'affaissement des muscles et de la peau, à l'apparition de rides. Le cartilage souffre d'un manque de collagène, une inflammation des articulations se produit.

Le rôle du silicium dans le corps

Pourquoi l'élasticité vasculaire perd-elle avec l'âge? Oui, seulement parce que le tissu conjonctif est situé dans les parois des vaisseaux sanguins, il leur donne élasticité et force.

Le renouvellement du tissu osseux ne passe pas non plus sans la participation du silicium. Dans ce processus, le silicium, le calcium, le strontium et le phosphore jouent un rôle important..

Le silicium est l'élément principal, sans lequel les processus métaboliques du magnésium et du fluor sont perturbés, et le calcium et le strontium ne sont pas du tout absorbés par l'organisme.

Le silicium pour le corps est une sorte de nettoyant; avec sa participation, les radionucléides, les métaux lourds et le chlore sont neutralisés, il lie les virus et les bactéries et les élimine du corps.

Avec sa participation dans le corps, la synthèse des hormones, des enzymes et des acides aminés a lieu, sa présence est nécessaire pour la transmission des impulsions le long des fibres nerveuses.

Symptômes d'une carence en silicium

En raison de l'absence de cet élément chimique, une famine de silicium se forme, qui se traduit par des symptômes si vifs:

  • perte de cheveux, fragilité et fragilité,
  • l'apparition de l'acné et de l'acné,
  • ongles cassants et os cassants (ostéomalacie),
  • émail des dents adoucissant et effaçant,
  • cartilage et usure des articulations,
  • fatigue et fatigue, maux de tête, perte de mémoire,
  • perméabilité capillaire facile,
  • ecchymoses et ecchymoses,
  • la survenue de maladies d'athérosclérose et de dysbiose.

Des études récentes menées par des scientifiques associent le développement de maladies cardiaques, de tuberculose, d'hépatite, d'hypertension, d'arthrite, de cataracte, à un manque de silicium dans le corps humain.

Un manque de silicium peut entraîner un diabète sucré, la formation de maladies malignes, le développement d'une candidose, une modification du fonctionnement du système nerveux (la coordination des mouvements est perturbée, une sensation de faiblesse et d'irritabilité apparaît, une sensation de peur apparaît).

Ainsi, avec une diminution de la concentration de silicium dans le sang à 1,2%, il existe un risque d'accident vasculaire cérébral et de crise cardiaque, jusqu'à 1,4% - conduit au risque de diabète. À un niveau de silicium de 1,6%, le virus de l'hépatite active et à 1,3%, les cellules cancéreuses nucléées.

Et cela se produit parce que chaque jour une personne excrétée avec de l'urine de silicium jusqu'à 9 g., Et est remplie de nourriture et d'eau seulement 3 g.

Excès de silicium dans le corps humain

Les surdoses systématiques dans la consommation de silicium ne sont pas non plus sûres. Un excès de silicium dans le corps humain provoque des écarts dans le corps, qui peuvent se manifester par une irritabilité, une fatigue chronique et une dépression, abaissant la température corporelle. L'excès de silicium se reflète dans les cheveux, ainsi que dans leur carence: les cheveux deviennent cassants et tombent.

Une concentration accrue de cet élément chimique dans le corps peut provoquer l'apparition de maladies telles que la silicose ou la fibriose pulmonaire, la formation de calculs rénaux et de vésicule biliaire, la goutte.

La norme du silicium dans le corps humain

Les normes de silicium n'ont pas été déterminées avec précision par les scientifiques, il y a encore débat et débat. Selon certains rapports, les besoins humains quotidiens en silicium se situent entre 5 et 50 g, ce qui est tellement vague. Apparemment, cela est dû au fait que lorsqu'une personne est en parfaite santé, elle a besoin de la quantité de silicium qui pénètre dans le corps avec de la nourriture..

Et lorsqu'il est malade, par exemple, avec des maladies telles que la maladie d'Alzheimer, l'ostéoporose ou les maladies cardiovasculaires, des compléments alimentaires avec ce minéral doivent également être pris..

Produits contenant du silicium

Des composés de silicium ont été trouvés dans les produits végétaux et animaux. Il est intéressant de noter que lors de l'utilisation de produits d'origine animale, l'absorption du silicium qu'ils contiennent est difficile, mais les fruits et légumes contenant des fibres peuvent accélérer ce processus..

Ralentit le processus d'absorption et la présence d'aluminium. Le tableau ci-dessous présente les produits riches en silicium:

De plus, je vais vous donner une liste des produits qui contiennent beaucoup de silicium:

  • cerise et abricots,
  • pommes, prunes, raisins secs,
  • navets et betteraves, chou blanc,
  • concombres et maïs,
  • oignons, céleri et épinards,
  • tomates mûres et citrouille,
  • Topinambour et haricots,
  • laitue et panais,
  • feuille de moutarde et raifort,
  • graines de tournesol et pelure de pomme de terre.

Plantes médicinales contenant du silicium

Le silicium est présent dans de nombreuses plantes médicinales, à partir desquelles vous pouvez faire des infusions et des décoctions, faire du thé et reconstituer votre corps avec cet élément.

Le silicium est présent dans les plantes de pikulnik ou d'iris, les orties, la prêle des champs, le tussilage, l'alpiniste et la volaille, l'oseille de cheval.

Le silicium provenant des aliments n'est pas entièrement absorbé par le corps, une partie en est perdue. Pour une meilleure absorption, les légumes, les fruits et les plantes doivent être consommés crus ou soumis à un petit traitement thermique.

Le silicium peut-il être utilisé pour purifier et structurer l'eau

À propos de l'eau structurée, vous l'avez probablement déjà entendu. Les flocons de neige peuvent servir d'exemple d'eau structurée, lorsque l'eau gèle, ses molécules s'alignent sous différentes formes bizarres (et les bonnes). De la même manière que la basse température, la musique classique, la prière ou tout simplement les mots gentils et sincères peuvent changer la structure de l'eau. Et cette eau devient cicatrisante.

Il s'avère que l'eau et certains minéraux naturels sont structurés. J'ai déjà écrit sur l'un d'entre eux, c'est du minéral de shungite, le silicium change aussi la structure de l'eau.

Comment utiliser Silicium pour nettoyer l'eau

Pour ce faire, la pierre de silex, comme mentionné ci-dessus, convient. Lorsque la pierre est immergée dans l'eau, l'acide silicique est libéré du minéral, ce qui change comme par magie la structure de l'eau. Les anciens résidus organiques qui composent cette pierre agissent comme des biocatalyseurs capables d'accélérer les réactions redox se produisant dans l'eau.

L'eau devient vraiment cicatrisante, elle est stockée longtemps et ne se détériore pas, elle est complètement désinfectée et purifiée. Lorsqu'on insiste, toutes les substances nocives contenues dans l'eau: radionucléides, métaux lourds se déposent au fond sous forme de sédiments. L'eau devient non seulement cicatrisante, mais aussi savoureuse, comme l'eau de source.

Où acheter du silicium pour la purification de l'eau? Demandez silex dans les pharmacies ou les magasins spécialisés en santé. Nous avons acheté ce minéral d'Argo.

Comment faire de l'eau de silicium

Après l'acquisition, le minéral doit être lavé et placé au fond du pot d'eau (10-15 g de silicium par litre d'eau).L'eau est infusée pendant 2-3 jours dans un endroit sombre. Puis égouttez soigneusement l'eau, sans agiter les sédiments. Les sédiments sont de la saleté et des substances nocives présentes dans l'eau.

Utilisez de l'eau pour boire, rincez les cailloux et placez-les dans une solution saline pour le nettoyage, après quoi ils peuvent être réutilisés. Mais le minéral n'est pas durable, une fois qu'il y aura un moment où l'acide silicique, entièrement de ce minéral sera consommé, et cela se produira dans environ six mois. Le silicium devra être changé.

J'ai lu quelque part que l'eau de silicium dans un emballage scellé peut être stockée pendant plus d'un an et ne pas se détériorer.

Comment purifier l'eau avec du silicium? Tous les cailloux ne conviennent pas à la purification de l'eau. Ces pierres qui se trouvent sur les rives d'une rivière ou d'un réservoir ne seront pas adaptées à la structuration de l'eau, elles sont polluées par l'environnement. Vous avez besoin d'un minéral extrait des entrailles de la terre. Les experts recommandent l'utilisation de minéraux en gris ou en noir. Il vaut mieux prendre du petit gravier pour augmenter la surface de contact avec l'eau.

Dans l'antiquité, le silicium était disposé au fond des puits, purifiant ainsi l'eau et la transformant en guérison. Si vous mettez des cailloux dans l'aquarium, l'eau ne fleurit pas. Lire l'eau de shungite.

Les propriétés curatives du silicium et de l'eau de silicium

L'eau de silicium activée et structurée possède des propriétés aseptiques et thérapeutiques. Les scientifiques ont montré que cette eau détruit la flore coccale dans les tissus malades, renforce la force immunitaire du corps et abaisse la pression artérielle et le cholestérol..

L'eau est recommandée dans le traitement des maladies inflammatoires du système digestif, du système génito-urinaire, de l'anémie. Il aide à nettoyer et à renforcer les vaisseaux sanguins, les muqueuses du corps, à améliorer la composition sanguine.

L'eau de silicium est utilisée pour la prophylaxie pour prévenir les maladies respiratoires, avec des infections et des inflammations, elle est enterrée dans le nez, des tourments sont placés dans les oreilles.

L'utilisation d'eau prévient les maladies infectieuses et virales (hépatite et dysenterie). L'eau améliore la fonction rénale, les processus métaboliques dans le corps.

L'état de la peau, des ongles et des cheveux s'améliore.

Vous avez probablement remarqué que chez les femmes enceintes, souvent en raison d'un manque de calcium (comme disent les médecins), les dents sont détruites. En fait, dans le corps des femmes enceintes, il y a un manque de silicium. Rappelez-vous ci-dessus dans l'article, j'ai dit qu'avec un manque de silicium, le calcium n'est tout simplement pas absorbé, par conséquent, sa carence survient dans le corps.

Le réapprovisionnement en silicium résout complètement ce problème. Les produits riches en silicium ou en eau, infusés de silex, seront utiles. Vous pouvez boire une décoction de pelure de pomme de terre ou d'avoine, une infusion de prêle ou de son, qui contiennent du silicium.

Il existe un ancien remède populaire qui recommande avec un manque de silicium dans le corps d'essuyer la peau avec l'urine d'un petit enfant. Le silicium n'étant pas complètement absorbé par l'organisme, 9 g de silicium par jour sont excrétés dans l'urine.

Vous pouvez essuyer la peau avec une décoction de pelure de pomme de terre.

Avec des cheveux cassants et des pointes fourchues, il est également possible d'utiliser des décoctions riches en silicium (ortie, oseille de cheval, pikulnik, prêle, consoude...). Une grande partie du silicium contient de l'eau de neige fondue, ainsi que de l'eau de pluie. Ce minéral se trouve dans presque toutes les eaux minérales..

À des fins médicinales, utilisez des pierres précieuses et semi-précieuses contenant du silicium: jade, lapis-lazuli, aigue-marine, onyx, améthyste, cristal de roche, cornaline.

Avec des fractures osseuses. Encore une fois, des préparations de calcium sont immédiatement prescrites à la personne. Et ils ne connaissent pas l'eau de silicium, les décoctions et les infusions riches en silicium, ou l'oublient. Et le calcium sans silicium n'est pas absorbé par le corps.

Comment faire cuire une décoction d'herbes?

Lors de la préparation d'une décoction de plantes, il est important d'éliminer le silicium et de ne pas détruire les vitamines par chauffage. Je suis tombé sur une méthode intéressante du médecin-guérisseur suisse Rudolf Brois.

Par exemple, comment faire du thé aux reins? Prêle crue (15 g), ortie de mai (10 g), renouée (8 g), millepertuis perforé (6 g) sont prises. Un mélange d'herbes suffit pour un traitement pour une personne. Tout d'abord, une pincée de cette collection est insérée dans un verre d'eau chaude pour extraire toutes les vitamines et minéraux contenus dans les herbes. Laissez la solution infuser..

Après filtration, le mélange d'herbes utilisé est à nouveau versé avec 2 verres d'eau et bouilli pendant 10 minutes. L'acide silicique est extrait des herbes par cette ébullition. Après filtration, l'infusion et le bouillon sont mélangés et un fluide cicatrisant riche en silicium, minéraux et vitamines est obtenu.

Je vous souhaite une bonne santé, chers lecteurs!

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Silicium

Le silicium est un élément chimique avec le symbole Si et le numéro atomique 14. C'est une substance cristalline solide et cassante avec un éclat métallique bleu-gris; il s'agit d'un métalloïde et semi-conducteur tétravalent. Il est inclus dans le 14e groupe du tableau périodique: au-dessus il y a du carbone et du germanium, en dessous il y a de l'étain et du plomb. Il est relativement inerte. En raison de sa grande affinité chimique pour l'oxygène, ce n'est qu'en 1823 que Jones Jacob Berzelius a pu le préparer et le caractériser sous sa forme pure. Ses points de fusion et d'ébullition sont respectivement de 1414 ° C et 3265 ° C. Ces températures sont les deuxièmes plus élevées de tous les métalloïdes et non métalliques, juste derrière le bore. Le silicium est le huitième élément le plus abondant de l'Univers en masse, mais il est très rarement trouvé comme élément pur dans la croûte terrestre. Il est le plus courant dans la poussière, le sable, les planétoïdes et les planètes sous forme de diverses formes de dioxyde de silicium (silice) ou de silicates. Plus de 90% de la croûte terrestre est constituée de minéraux silicatés, le silicium est le deuxième élément le plus abondant dans la croûte terrestre (environ 28% en poids) après l'oxygène. La plupart du silicium est utilisé commercialement sans séparation, et souvent le minéral naturel n'est pas traité. Ces utilisations comprennent la construction industrielle utilisant de l'argile, du sable de silice et de la pierre. Le silicium est utilisé dans le ciment Portland pour la fabrication de coulis de ciment et de plâtres, et est mélangé avec du sable et du gravier pour la fabrication de béton pour les sentiers pédestres, la construction de bâtiments et de routes. Le silicium est également utilisé dans les céramiques fines telles que la porcelaine, ainsi que dans le verre traditionnel à quartz sodocalcique et de nombreux autres verres spéciaux. Les mélanges de silicium, tels que le carbure de silicium, sont utilisés comme abrasifs et composants de céramiques à haute résistance. Le silicium est la base de polymères synthétiques largement utilisés appelés silicones. Le silicium a également un impact important sur l'économie mondiale moderne. La plupart du silicium libre est utilisé dans le raffinage de l'acier, la coulée d'aluminium et la production chimique à faible tonnage (souvent pour la fabrication de silice pyrogénée). Encore plus notable, une fraction relativement faible du silicium élémentaire très hautement purifié utilisé dans l'électronique des semi-conducteurs (1) Gay-Lussac et Tenard auraient préparé du silicium amorphe impur en 1811 en chauffant le potassium métallique récemment isolé avec du tétrafluorure de silicium, mais ils ne l'ont pas fait n'a pas caractérisé le produit et ne l'a pas identifié comme un nouvel élément. En 1817, le chimiste écossais Thomas Thomson a donné son nom actuel au silicium. Thomson a conservé une partie du nom Davy, mais a ajouté la terminaison «on», car il pensait que le silicium était un non-métal, semblable au bore et au carbone. En 1823, Jones Jacob Berzelius a préparé du silicium amorphe à peu près de la même manière que Gay-Lussac (en réduisant le fluorosilicate de potassium avec du potassium métal fondu), mais en nettoyant le produit en une poudre brune par lavage répété. [16] En conséquence, il est généralement crédité de la découverte de cet élément. La même année, Berzelius a d'abord préparé du tétrachlorure de silicium; Le tétrafluorure de silicium a déjà été préparé bien avant celui de 1771 par Karl Wilhelm Scheele en dissolvant du silicium dans de l'acide fluorhydrique. [11] Le silicium sous sa forme cristalline la plus courante n'a été préparé que 31 ans plus tard par Deville. 2) Par électrolyse d'un mélange de chlorure de sodium et de chlorure d'aluminium contenant environ 10% de silicium, il a pu obtenir une allotropie de silicium légèrement impure en 1854. Plus tard, des méthodes plus économiques ont été développées pour isoler plusieurs formes allotropes, dont la dernière est le silicène, en 2010. Pendant ce temps, la recherche sur la chimie du silicium s'est poursuivie; Friedrich Wöhler a découvert les premiers hydrures de silicium volatils en synthétisant le trichlorosilane en 1857 et le silane lui-même en 1858, mais une étude détaillée des silanes n'a été réalisée qu'au début du XXe siècle par Alfred Stock, malgré les premières hypothèses sur cette question depuis le début du développement de la chimie organique synthétique dans les années 1830. années. 3) De plus, le premier composé organosilicié, le tétraméthylsilane, a été synthétisé par Charles Friedel et James Crafts en 1863, mais une caractérisation détaillée de la chimie du silicium n'a été effectuée qu'au début du 20e siècle par Frederick Kipping. Depuis les années 1920, les travaux de William Lawrence Bragg sur la cristallographie aux rayons X ont réussi à clarifier la composition des silicates qui étaient auparavant connus de la chimie analytique mais n'étaient pas encore compris, ainsi que le développement de la chimie cristalline par Linus Pauling et le développement de la géochimie par Victor Goldschmidt. Au milieu du XXe siècle, le développement de la chimie et de l'utilisation industrielle des siloxanes a été observé, ainsi que l'utilisation croissante des polymères de silicone, des élastomères et des résines. À la fin du 20e siècle, une carte de la complexité de la cristallochimie des siliciures a été établie, ainsi que la chimie à l'état solide des semi-conducteurs dopés. Le silicium étant un élément important des dispositifs semi-conducteurs de haute technologie, de nombreux endroits dans le monde portent son nom. Par exemple, la vallée de Santa Clara en Californie a été surnommée Silicon Valley, car cet élément est le principal matériau de l'industrie des semi-conducteurs. Depuis, de nombreux autres endroits portent le même nom, notamment Silicon Forest en Oregon, Silicon Hills à Austin, Texas, Silicon Route à Salt Lake City, Utah, Silicon Saxony en Allemagne, Silicon Valley en Inde, Silicon Borders à Mexicali, au Mexique, le «marais de silicone» à Cambridge, en Angleterre, le Silicon Ring à Londres, le Silicon Hollow en Écosse et la Silicon Depression à Bristol, en Angleterre [25].

Les caractéristiques

Physique et atomique

Un atome de silicium a quatorze électrons. À l'état fondamental, ils sont situés dans la configuration électronique de [Ne] 3s23p2. Quatre d'entre eux sont des électrons de valence occupant l'orbitale 3s, et deux sont des orbitales 3p. Comme les autres membres de son groupe, carbone plus léger et germanium, étain et plomb plus lourds, il a le même nombre d'électrons de valence que la valence des orbitales: il peut donc compléter l'octet et obtenir une configuration stable des gaz nobles d'argon, formant des orbitales hybrides sp3, formant des dérivés tétraédriques de SiX4, où l'atome central de silicium partage une paire d'électrons avec chacun des quatre atomes avec lesquels il se joint. 4) Les quatre premières énergies d'ionisation du silicium: 786,3, 1576,5, 3228,3 et 4354,4 kJ / mol, respectivement; ces nombres sont suffisamment élevés pour exclure la possibilité d'une chimie cationique simple pour un élément. Suivant des tendances périodiques, son rayon covalent avec une liaison de 117,6 pm est intermédiaire entre le rayon du carbone (77,2 pm) et l'Allemagne (122,3 pm). Le rayon ionique hexacoordonné du silicium peut être considéré comme égal à 40 pm, bien que cela doive être considéré comme une figure purement arbitraire, compte tenu de l'absence d'un simple cation Si4 + dans la réalité. À température et pression standard, le silicium est un semi-conducteur brillant avec un éclat métallique gris bleuâtre; comme dans le cas des semi-conducteurs, sa résistivité diminue avec l'augmentation de la température. En effet, le silicium a un petit écart d'énergie entre ses niveaux d'énergie occupés les plus élevés (bande de valence) et les plus petites bandes inoccupées (bande de conduction). Le niveau de Fermi est approximativement à mi-chemin entre la bande de valence et la bande de conduction et est l'énergie à laquelle l'état peut être occupé par un électron. Par conséquent, le silicium pur est un isolant à température ambiante. Cependant, en donnant au silicium un pnictogène, tel que le phosphore, l'arsenic ou l'antimoine, nous obtenons un électron supplémentaire par impureté, et ils peuvent ensuite être excités thermiquement ou photolytiquement dans la bande de conduction, créant un semi-conducteur de type H. De même, la dilution du silicium avec un élément du groupe 13, comme le bore, l'aluminium ou le gallium, conduit à l'introduction de niveaux accepteurs qui piègent les électrons qui peuvent être excités par la bande de valence remplie, créant un semi-conducteur de type p. La combinaison du silicium de type n avec du silicium de type p crée une jonction p-n avec un niveau de Fermi commun; les électrons circulent de n à p et les espaces vides de p à n, créant une chute de tension. Cette connexion pn agit ainsi comme une diode qui peut redresser le courant alternatif, ce qui permet au flux de passer plus facilement d'une manière que de l'autre. Le transistor est une jonction n-p-n avec une fine couche de silicium de type p faible entre deux régions de type n. Le déplacement de l'émetteur à travers une petite tension de traversée et la collecte à travers une grande tension inverse permettent au transistor d'agir comme un amplificateur triode. Le silicium cristallise dans une gigantesque structure covalente dans des conditions standard, notamment dans un réseau de diamant cubique. Il a donc un point de fusion élevé de 1414 ° C, car il faut beaucoup d'énergie pour rompre les fortes liaisons covalentes et faire fondre un solide. On ne sait pas si une substance a des allotropes à une pression standard, mais plusieurs autres structures cristallines ont des allotropes à des pressions plus élevées. La tendance générale est une augmentation du nombre de coordination avec une pression croissante, qui aboutit à un allotrope compact hexagonal à environ 40 gigapascals, qui est connu sous le nom de Si-VII (le changement standard est Si-I). Le silicium bout à 3265 ° K: bien qu'il s'agisse d'une température élevée, elle est inférieure à la température à laquelle précipite son carbone relatif plus léger (3642 ° K). Le silicium, comme celui-ci, a une température d'évaporation inférieure à celle du carbone, ce qui résulte du fait que la liaison Si-Si est plus faible que la liaison C-C. 5)

Isotopes

Le silicium naturel se compose de trois isotopes stables 28Si (92,23%), 29Si (4,67%) et 30Si (3,10%). Parmi ceux-ci, seul le 29Si est utilisé en spectroscopie RMN et EPR, car il est le seul à spin nucléaire (I = ½). Tous les 3 sont produits dans les étoiles lors de la combustion de l'oxygène, le 28Si étant fabriqué dans le cadre du processus alpha et, par conséquent, le plus courant. La fusion de 28Si avec des particules alpha provenant du réarrangement de la photodésintégration dans les étoiles est appelée le processus de combustion du silicium; c'est la dernière étape de la nucléosynthèse stellaire avant l'effondrement rapide et l'explosion d'une étoile dans les supernovae de type II. Vingt radioisotopes, 2 des 32Si les plus stables avec une demi-vie d'environ 150 ans, et 31Si avec une demi-vie de 2,62 heures ont été caractérisés. Tous les isotopes radioactifs restants ont une demi-vie de moins de sept secondes, et la plupart d'entre eux ont une demi-vie de moins d'un dixième de seconde. Le silicium n'a pas d'isomères nucléaires connus. 32Si passe par un déclin bêta à basse énergie à 32P puis se stabilise à 32S. Le 31Si peut être produit en activant un neutron de silicium naturel et est donc utile pour l'analyse quantitative; il peut être facilement détecté en raison de sa désintégration bêta caractéristique au 31P stabilisé, dans lequel l'électron émis transfère jusqu'à 1,48 MeV d'énergie. 6) Les isotopes connus du silicium varient en nombre de masse de 22 à 44. La méthode la plus courante pour désintégrer les isotopes avec des nombres de masse inférieurs à trois isotopes stables est la désintégration bêta inverse, formant principalement des isotopes d'aluminium (13 protons) sous forme de produits de désintégration. La méthode de désintégration la plus courante pour les isotopes instables plus lourds est la désintégration bêta, formant principalement des isotopes du phosphore (15 protons) comme produits de désintégration.

Chimie et composés

Le silicium cristallin en vrac est assez inerte, mais devient plus réactif à des températures élevées. Comme l'aluminium voisin, le silicium forme une fine couche superficielle continue de dioxyde de silicium (SiO2), qui protège le métal de l'oxydation. Ainsi, le silicium ne réagit pas avec l'air en dessous de 900 ° C, mais la formation de dioxyde vitreux augmente rapidement entre 950 ° C et 1160 ° C, et lorsque 1400 ° C est atteint, l'azote atmosphérique réagit également pour donner des nitrures de SiN et Si3N4. Le silicium réagit avec le soufre gazeux à 600 ° C et le phosphore gazeux à 1000 ° C. Cette couche d'oxyde, cependant, n'interfère pas avec la réaction avec les halogènes; le fluor attaque vigoureusement le silicium à température ambiante, le chlore le fait à une température d'environ 300 ° C, le brome et l'iode - à une température d'environ 500 ° C. Le silicium ne réagit pas avec la plupart des acides aqueux, mais est oxydé et fluoré avec un mélange d'acide nitrique concentré et d'acide fluorhydrique; facilement soluble dans l'alcali aqueux chaud, formant des silicates. Aux températures élevées, le silicium réagit également avec les halogènes alkyles; cette réaction peut être catalysée par le cuivre pour synthétiser des chlorures de silicium comme précurseurs de polymères de silicone. Une fois fondu, le silicium sera très réactif, fusionnant avec la plupart des métaux, formant des siliciures et réduisant la plupart des oxydes métalliques, car la température de formation de dioxyde de silicium est si élevée. En conséquence, les conteneurs pour le silicium liquide doivent être faits de matériaux réfractaires inactifs tels que la zircone ou les borures des groupes 4, 5 et 6. La coordination tétraédrique est le principal motif structurel de la chimie du silicium, ainsi que de la chimie du carbone. Cependant, le sous-niveau 3p est plus diffus que le sous-niveau 2p et ne s'hybride pas avec le sous-niveau 3s. En conséquence, la chimie du silicium et de ses congénères plus lourds montre des différences significatives par rapport à la chimie du carbone 7), et donc, la coordination octaédrique est également importante. Par exemple, l'électronégativité du silicium (1,90) est bien inférieure à celle du carbone (2,55), car les électrons de valence du silicium sont plus éloignés du noyau que le carbone, et subissent donc moins de forces attractives électrostatiques du noyau. Un faible chevauchement des orbitales 3p conduit à une tendance à la liaison significativement plus faible (formation de liaisons Si-Si) pour le silicium que pour le carbone, en raison de l'affaiblissement de la liaison Si-Si qui y est associée par rapport à la liaison C-C: énergie de liaison moyenne Si - Si est d'environ 226 kJ / mol, contre 356 kJ / mol pour la liaison C - C. Cela conduit au fait que le silicium à liaisons multiples est généralement moins stable que son carbone relatif, qui est un exemple de la règle de la double liaison. D'un autre côté, la présence d'orbitales tridimensionnelles dans la coquille de valence du silicium suggère la possibilité d'une hypervalence, qui est observée dans les dérivés à cinq et six coordonnées du silicium, tels que SiX - 5 et SiF2–6. Enfin, en raison de l'écart énergétique croissant entre les orbitales de valence S et P à mesure que le groupe diminue, l'état divalent augmente en valeur du carbone au plomb, de sorte que plusieurs composés divalents instables sont appelés silicium; cette diminution de l'état fondamental d'oxydation, en tandem avec une augmentation des rayons atomiques, conduit à une augmentation du caractère métallique dans le groupe. Le silicium montre déjà un comportement métallique naissant, en particulier dans le comportement de ses composés oxydés et sa réaction avec les acides et les bases (bien que cela nécessite un certain effort), et est donc souvent appelé métalloïde plutôt que non métallique. Cependant, la métallicité ne deviendra pas claire dans le groupe 14 avant le germanium et dominera jusqu'à l'étain, avec l'importance croissante d'un état d'oxydation inférieur de +2. Le silicium présente des différences claires par rapport au carbone. Par exemple, en chimie organique, il y a très peu d'analogues avec la chimie du silicium, tandis que les minéraux silicatés ont une complexité structurelle invisible dans les oxocarbures. Le silicium est beaucoup plus similaire au germanium qu'au carbone, et cette similitude est renforcée par la réduction du bloc d, ce qui fait que la taille de l'atome de germanium est beaucoup plus proche de la taille de l'atome de silicium que ne le prédisent les tendances périodiques. Cependant, il existe encore quelques différences en raison de l'importance croissante de l'état divalent du germanium par rapport au silicium, ce qui conduit au fait que le germanium est une substance beaucoup plus métallique que le silicium. De plus, la résistance plus faible du composé Ge-O par rapport à la résistance du composé Si-O conduit à l'absence de polymères «gremanon», qui seront similaires aux polymères organosiliciés.

Silicides

De nombreux siliciures métalliques sont connus, dont la plupart ont des formules qui ne peuvent pas être expliquées par de simples appels à la valence: leur liaison varie de métallique à ionique et covalente. Quelques stoechiométries bien connues: M6Si, M5Si, M4Si, M15Si4, M3Si, M5Si2, M2Si, M5Si3, M3Si2, MSI, M2Si3, MSi2, MSi3 et MSi6. Ils sont structurellement plus semblables aux borures qu'aux carbures, conformément à la relation diagonale entre le bore et le silicium, bien qu'une taille de silicium plus grande par rapport au bore signifie qu'il y a peu d'analogies structurales exactes et que les substances sont éloignées. La chaleur de formation des siliciures est généralement similaire aux borures et aux carbures des mêmes éléments, mais ils fondent généralement à des températures plus basses. 8) Les silicides sont connus pour tous les éléments stables des groupes 1-10, à l'exception du béryllium: en particulier, l'uranium et les métaux de transition des groupes 4-10 présentent la plus large gamme de stœchiométrie. À l'exception du cuivre, les métaux des groupes 11-15 ne forment pas de siliciures. Au lieu de cela, la plupart d'entre eux forment des mélanges eutectiques, bien que les métaux post-transition les plus lourds, le mercure, le thallium, le plomb et le bismuth, ne se mélangent pas complètement avec du silicium liquide. Les siliciures sont généralement obtenus par réaction directe des éléments. Par exemple, les métaux alcalins et les métaux alcalino-terreux réagissent avec le silicium ou l'oxyde de silicium pour produire des siliciures. Cependant, même avec ces éléments hautement électropositifs, de vrais anions de silicium ne se forment pas, et bon nombre de ces composés sont des semi-conducteurs. Par exemple, les siliciures de métaux alcalins (M +) 4 (E4-4) contiennent du silicium tricoordonné pyramidal dans l'anion Cu4-4, isoélectronique avec du phosphore blanc, P4. Les sicilides contenant une grande quantité de métal, en règle générale, ont des atomes de silicium isolés (par exemple, Cu5Si). Avec une augmentation de la teneur en silicium, la formation de chaînes augmente, ce qui conduit à des grappes isolées de deux (par exemple, U3Si2) ou quatre atomes de silicium (par exemple, [K +] 4 [Cu4] 4−), d'abord puis le long de la chaîne (El. ACP), des couches (par exemple, CaSi2) ou un réseau tridimensionnel d'atomes de silicium couvrant l'espace (par exemple, α-ThSi2), car la teneur en silicium augmente encore plus. Les siliciures métalliques des groupes 1 et 2 sont généralement plus réactifs que les siliciures métalliques de transition. Ces derniers ne réagissent généralement pas avec les réactifs aqueux, à l'exception de l'acide fluorhydrique; cependant, ils réagissent avec des réactifs plus agressifs, tels que l'hydroxyde de potassium liquide ou le fluor ou le chlore gazeux à chaud. En revanche, les siliciures des métaux de pré-transition réagissent facilement avec l'eau et les acides aqueux, produisant généralement de l'hydrogène ou des silanes: Na2Si + 3 Н2О → Na2SiO3 + 3 Н2 Mg2Si + 2 Н2ЅО4 → 2 MgSO4 + SiH4 Les produits varient souvent en raison de la stoechiométrie du réactif siliciure. Par exemple, le Ca2Si est polaire et non conducteur, et a une structure anti-PbCl2 avec des atomes de silicium isolés uniques et réagit avec l'eau pour produire de l'hydroxyde de calcium, du dioxyde de silicium hydraté et de l'hydrogène. Le CaSi avec ses chaînes en zigzag d'atomes de silicium réagit à la place pour donner des silanes et du polymère SiH2, tandis que le CaSi2 avec ses couches ridées d'atomes de silicium réagit avec l'eau et réagit avec l'acide chlorhydrique dilué: le produit est un solide polymère jaune avec stoechiométrie Si2H2O.

Silanes

Les réflexions sur la chimie de l'hydrure de silicium ont commencé dans les années 1830, à l'époque du développement de la chimie organique synthétique. Le silane lui-même, ainsi que le trichlorosilane, ont été synthétisés pour la première fois par Friedrich Weller et Heinrich Buff en 1857 par l'interaction d'alliages aluminium-silicium avec de l'acide chlorhydrique et caractérisés comme SiH4 et SiHCl3 par Charles Friedel et Albert Ladenburg en 1867. Le disilane (Si2H6) a été décrit en 1902, lors de sa première synthèse par Henri Moissan et Samuel Smiles par protonolyse de siliciures de magnésium. Des recherches supplémentaires ont dû être reportées jusqu'en 1916 en raison de la grande réactivité et de l'instabilité thermique des silanes; c'est alors qu'Alfred Stock a commencé à étudier sérieusement les hydrures de silicium en utilisant de nouvelles méthodes de vide sans huile, car ils ont été découverts comme polluants de son foyer, les hydrures de bore. Les noms silanes et borans ont été inventés par lui, sur la base d'une analogie avec les alcanes. 9) Jusqu'à présent, la méthode Moissan et Smiles a été utilisée pour obtenir des silanes et des dérivés de silane par protonolyse de siliciures métalliques, bien que le rendement soit réduit par l'hydrolyse des produits, qui se produit simultanément, donc la voie préférée aujourd'hui est de traiter les silanes substitués avec des agents réducteurs d'hydrure, tels que l'hydrure de lithium et d'aluminium, dans solutions d'éther à basse température. La réaction directe de HX ou RX avec du silicium, éventuellement avec un catalyseur tel que le cuivre, est également une méthode viable pour produire des silanes substitués. Les silanes forment des séries homologues d'hydrures de silicium de formule générale SinH2n + 2. Tous sont des agents réducteurs puissants. Les chaînes non ramifiées et ramifiées sont connues jusqu'à n = 8, et les cycles Si5H10 et Si6H12 sont également connus. Les 2 premiers, silane et disilane, gaz incolores; les membres les plus lourds de la série sont des liquides qui s'évaporent. Tous les silanes sont très réactifs et prennent feu ou explosent spontanément dans l'air. Ils seront moins stables thermiquement à température ambiante, de sorte que seul le silane sera indéfiniment stable à température ambiante, bien que le disilane ne se décompose pas très rapidement (seulement 2,5% de l'échantillon se décompose après 8 mois). Ils se décomposent pour former de l'hydrure de polysilicium polymère et de l'hydrogène. 10) Comme attendu de la différence de poids atomique, les silanes sont moins volatils que les alcanes et boranes correspondants, mais plus volatils que les germans correspondants. Ils sont beaucoup plus sensibles que les alcanes correspondants, en raison du plus grand rayon de silicium par rapport au carbone, facilitant une attaque nucléophile sur le silicium, avec une plus grande polarité des liaisons Si-H par rapport à C-H, et la capacité du silicium à étendre son octet et, par conséquent,, forment des adduits et réduisent la réaction d'énergie d'activation. La pyrolyse du silane crée des espèces de polymères et, enfin, du silicium élémentaire et de l'hydrogène; en effet, le silicium ultra pur est produit commercialement par pyrolyse du silane. Alors que la décomposition thermique des alcanes commence par la rupture des liaisons C - H ou C - C et la formation d'intermédiaires radicaux, les polylysans se décomposent en éliminant les radicaux: SiH2 ou: SiHR, depuis l'énergie d'activation de ce processus (

210 kJ / mol) est nettement inférieure à l'énergie de liaison dans Si - Si et Si - H. Bien que les silanes purs ne réagissent pas avec de l'eau pure ou des acides dilués, des traces d'alcali catalysent l'hydrolyse immédiate en dioxyde de silicium hydraté. Si la réaction est réalisée dans le méthanol, une solvolyse contrôlée conduit aux produits SiH2 (OMe) 2, SiH (OMe) 3 et Si (OMe) 4. La liaison Si - H est également ajoutée aux alcènes, une réaction qui se poursuit lentement et s'accélère avec une substitution croissante du silane incorporé. À 450 ° C, le silane est impliqué dans la réaction d'addition avec l'acétone, ainsi que dans la réaction d'ouverture du cycle avec l'oxyde d'éthylène. La réaction directe du silane avec le chlore ou le brome entraîne des explosions à température ambiante, mais la réaction du silane avec le brome à -80 ° C est contrôlée et donne du bromosilane et du dibromosilane. Les monogalosilanes peuvent être formés en faisant réagir du silane avec l'halogénure d'hydrogène correspondant avec un catalyseur Al2X6 ou en faisant réagir du silane avec de l'halogénure d'argent solide dans un réacteur chauffé par flux: SiH4 + 2 AgCl 260 ° C → SiH3Cl + HCl + 2 Ag Parmi les dérivés du silane, l'iodosilane (SiH3I) et Le silanure de potassium (KSiH3) est un intermédiaire synthétique très utile dans la production de mélanges contenant du silicium plus complexes: ce dernier est un solide ionique cristallin incolore contenant des cations K + et des anions SiH - 3 dans la structure NaCl, fabriqué en réduisant le silane avec un potassium métallique. De plus, des espèces réactives hypervalentes SiH-5 sont également connues. [24] Avec des substituants organiques appropriés, il est possible de produire des polysilanes stabilisés: ils ont une conductivité électrique étonnamment élevée associée à la délocalisation du sigma électronique dans un circuit. Onze)

Halogénures

Le silicium et le carbure de silicium réagissent facilement avec les quatre halogènes stables, formant des tétrahalogénures de silicium incolores, chimiquement actifs et volatils. Le tétrafluorure de silicium peut également être fabriqué par fluoration d'autres halogénures de silicium et est produit par l'action de l'acide fluorhydrique sur le verre. 12) Le chauffage simultané de deux tétrahalogénures différents produit également des mélanges aléatoires d'halogénures mixtes, qui peuvent également être obtenus par une réaction d'échange d'halogène. Les points de fusion et d'ébullition de ces espèces augmentent généralement avec l'augmentation de la masse atomique, bien qu'il existe de nombreuses exceptions: par exemple, les points de fusion et d'ébullition tombent lors du passage de SiFBr3 à SiFClBr2 en SiFCl2Br. La transition des éléments hypoélectroniques du groupe 13 et antérieurs au groupe 14 est illustrée par la transition de la structure ionique infinie du fluorure d'aluminium dans le réseau de simples molécules covalentes de tétrafluorure de silicium, qui est dictée par l'électronégativité plus faible de l'aluminium par rapport au silicium, la stoechiométrie (à partir de +4 état d'oxydation est trop élevé) pour une véritable ionicité), et un atome de silicium plus petit par rapport à un atome d'aluminium. Le tétrachlorométhane de silicium est produit à grande échelle comme précurseur dans la production de silicium pur, de dioxyde de silicium et de certains esters de silicium. Les tétrahalogénures de silicium sont facilement hydrolysés dans l'eau, contrairement aux tétrahalogénures de carbone, encore une fois, en raison de la plus grande taille de l'atome de silicium, ce qui le rend plus ouvert aux attaques nucléophiles et de la capacité de l'atome de silicium à étendre son octet, ce que le carbone n'a pas. La réaction du fluorure de silicium avec un excès d'acide fluorhydrique produit l'hexafluorosilicate d'anion octaédrique SiF2-6. De même que pour les silanes, les halopolysilanes SinX2n + 2 sont également connus. Bien que la formation de liaisons dans les composés du carbone soit maximale dans les composés d'hydrogène, plutôt que dans les halogénures, l'inverse est vrai pour le silicium, de sorte qu'au moins les halopolysilanes Si14F30, Si6Cl14 et Si4Br10 sont connus. L'explication proposée de ce phénomène est la compensation des pertes d'électrons de silicium en faveur d'atomes d'halogène plus électronégatifs par liaison inverse pi des orbitales pπ remplies sur les atomes d'halogène aux orbitales dπ de silicium vides: cela est similaire à la situation du monoxyde de carbone dans les complexes métalliques carbonylés et explique leur stabilité. Ces halopolysilanes peuvent être obtenus en portant des tétrachalures de silicium avec du silicium élémentaire, ou en condensant des halopolysilanes plus légers (le triméthylammonium est un catalyseur utile pour cette réaction).

Silice Le dioxyde de silicium (SiO2), également connu sous le nom de silice, est l'un des mélanges les plus étudiés, le deuxième après l'eau. On connaît douze modifications cristallines différentes de la silice, dont la plus courante est le quartz α, le composant principal de nombreuses roches, comme le granit et le grès. La silice sous sa forme pure se trouve sous forme de cristal de roche; formes impures - quartz rose, quartz fumé, morion, améthyste et citrine. Certaines formes faiblement cristallines de quartz sont également connues, telles que la calcédoine, la chrysoprase, la cornaline, l'agate, l'onyx, le jaspe, l'héliotrope et le silex. D'autres modifications du dioxyde de silicium se trouvent dans certains autres minéraux, tels que la tridymite et la cristobalite, et aussi beaucoup moins souvent - la coésite et la stishovite. Les formes générées biologiquement sont également connues sous le nom de kieselguhr et de farine de montagne. La silice vitreuse est connue sous le nom de tektite et d'obsidienne, et rarement sous forme de lecheriteri. Certaines formes synthétiques sont appelées keatite et W-silice. Les opales sont composées d'agrégats cristallins complexes de dioxyde de silicium partiellement hydraté. La plupart des formes cristallines de silice sont constituées d'arrangements de tétraèdres sans fin (avec Si au centre) connecté aux coins, chaque atome d'oxygène se liant à deux atomes de silicium. Sous une forme thermodynamiquement stable, à température ambiante, près du quartz α, ces tétraèdres sont connectés en chaînes spirales entrelacées avec deux distances Si-O différentes (159,7 et 161,7 pm) avec un angle Si-O-Si de 144 °. Ces hélices peuvent être gauchers ou droitiers, de sorte que les cristaux individuels de quartz α sont optiquement actifs. À 537 ° C, il se transforme rapidement et de manière réversible en un quartz β similaire avec un changement de l'angle Si - O - Si à 155 °, mais avec la préservation de la directivité. Un chauffage supplémentaire à 867 ° C conduit à une autre transition de phase réversible vers la β-tridymite, dans laquelle certaines liaisons Si-O sont rompues pour assurer la localisation des tétraèdres dans une structure hexagonale plus ouverte et moins dense. Cette transition est lente et, par conséquent, la dridimite est créée en tant que minéral métastable même à une température inférieure à cette température de transition; lorsqu'il est refroidi à une température d'environ 120 ° C, il se transforme rapidement et de manière réversible en raison de déplacements insignifiants d'atomes de silicium et d'oxygène individuels en α-tridymite, similaire à la transition entre le quartz α et le quartz β. La β-tridimite se transforme lentement en β-cristobalite cubique à une température d'environ 1470 ° C, qui existe à nouveau métastable en dessous de cette température de transition et est convertie à 200-280 ° C en α-cristobalite en utilisant de petits déplacements atomiques. La β-cristobalite fond à 1713 ° C; la congélation de la silice de la masse fondue est plutôt lente, et au lieu de cela la vitrification ou la formation de verre peut se produire. Dans la silice vitreuse, les tétraèdres restent angulaires, mais la symétrie et la périodicité des formes cristallines sont perdues. En raison des transformations lentes entre ces trois formes, avec un chauffage rapide, il est possible de faire fondre le β-quartz (1550 ° C) ou la β-tridymite (1703 ° C). La silice bout à environ 2800 ° C. Il existe d'autres formes de silice à haute tension, telles que la coésite et la stishovite: elles existent dans la nature, se forment sous la pression d'impact d'une météorite, puis se refroidissent rapidement afin de préserver la structure cristalline. Une fusion et un refroidissement similaires de la silice se produisent après la foudre, formant un lecheleleri vitreux. W-silice - une forme instable de faible densité, y compris tétraèdres ayant des bords opposés communs au lieu d'angles, formant des chaînes parallèles comme le disulfure de silicium (SiS2) et le dislenide de silicium (SiSe2): il commence rapidement à reformer la silice amorphe lorsqu'il est exposé à des températures élevées ou à l'eau. 13) La silice est chimiquement plutôt inerte. Il n'est attaqué par aucun acide, à l'exception de l'acide fluorhydrique. Néanmoins, il se dissout lentement dans les alcalis concentrés chauds, et assez rapidement dans les hydroxydes fondus ou les carbonates de métaux, formant des silicates. Parmi les éléments, il n'est attaqué que par le fluor à température ambiante, formant du tétrafluorure de silicium: l'hydrogène et le carbone réagissent également, mais nécessitent des températures supérieures à 1000 ° C. La silice, cependant, réagit avec une grande quantité d'oxydes métalliques et de métalloïdes, formant une grande variété de mélanges, importants dans les industries du verre et de la céramique, ainsi que présentant de nombreux autres avantages: par exemple, le silicate de sodium est souvent utilisé dans les détergents synthétiques en raison de son tamponnage, saponification et propriétés d'émulsion.

Acide silicique

L 'ajout d' eau à la silice abaisse son point de fusion d 'environ 800 ° C en raison de dommages structurels en remplaçant les liaisons Si - O - Si par des groupes Si - OH terminaux. Une augmentation de la concentration en eau conduit à la formation de gels de silice hydratés et de dispersions de silice colloïdale. De nombreux hydrates et acides siliciques existent dans des solutions aqueuses diluées, mais ils sont peu solubles et précipitent et se condensent rapidement et se réticulent, formant divers acides polysiliciques de diverses combinaisons, suivant la formule [SiOx (OH) 4−2x] n, comme le bore, l'aluminium et le fer, entre autres éléments. Par conséquent, bien que certains acides siliciques simples dans des solutions diluées aient été identifiés, tels que l'acide orthosilicique Si (OH) 4 et l'acide métasilique SiO (OH) 2, aucun d'entre eux n'existe probablement à l'état solide.

Minéraux silicatés

Environ 95% de la croûte terrestre est constituée de silice ou de minéraux silicatés et aluminosilicates, qui se reflètent dans l'oxygène, le silicium et l'aluminium, les trois éléments les plus courants de la croûte terrestre (dans cet ordre). En masse, le silicium représente 27,7% de la croûte terrestre. Les cristaux de silicium pur sont très rares dans la nature, mais des exceptions notables sont des cristaux atteignant 0,3 mm de diamètre trouvés lors de l'échantillonnage de gaz du volcan Kudryavy sur l'une des îles Kouriles-Iturup. 14) Les minéraux silicatés et aluminosilicatés ont de nombreuses structures et stœchiométries différentes, mais ils peuvent être classés selon certains principes généraux. Unités tétraédriques sont communs à presque tous ces composés, soit sous forme de structures discrètes, soit combinés en unités plus grandes en partageant des atomes d'oxygène angulaires. Ils peuvent être divisés en non-silicates (discrets unités) n'ayant pas d'atomes d'oxygène communs, les sorosilicates (discrets unités) ayant un oxygène commun, des cyclosilicates (structures en anneau fermé) et des silicates étrangers (chaînes continues ou structures en forme de ruban) et ayant deux oxygènes communs, des filosilicates (feuilles solides) en ayant trois et des tectosilicates (continus structures tridimensionnelles) ayant quatre. Le réseau d'atomes d'oxygène, en règle générale, est dense, ou proche de lui, avec une charge équilibrée par d'autres cations dans différents sites polyédriques, selon la taille. Les orthosilicates MII2SiO4 (M = Be, Mg, Mn, Fe, Zn) et ZrSiO4 sont des non-silicates. Be2SiO4 (phénakite) est inhabituel en ce que BeII et SiIV occupent quatre sites coordonnés tétraédriques; au lieu de cela, d'autres cations divalents occupent six sites octaédriques coordonnés et sont souvent remplacés de manière isomorphe, comme dans l'olivine (Mg, Fe, Mn) 2SiO4. Le zircon, ZrSiO4, nécessite 8-coordination des cations ZrIV, en raison de la stoechiométrie et en raison de leur plus grand rayon ionique (84 pm). Sont également significatifs les grenats, [MII3MIII2 (SiO4) 3], dans lesquels les cations divalents (par exemple, Ca, Mg, Fe) sont à huit coordonnées et les cations trivalents sont à six coordonnées (par exemple, Al, Cr, Fe). La coordination régulière n'est pas toujours présente: par exemple, elle n'est pas présente dans Ca2SiO4, qui mélange des sites à six et huit coordonnées pour CaII. Les sorosilicates, y compris les blocs tétraédriques doubles ou triples discrets, sont assez rares: les métasilicates, y compris cycliques, sont également connus 15) Métasilicates en chaîne, <Ѕіо2−3>∞, sont formés en partageant les angles d'une chaîne indéfinie de tétraèdres connectés . De nombreuses différences surviennent en raison de différentes distances de répétition de conformation à travers la ligne des tétraèdres. La distance répétée = deux est la plus courante, comme dans la plupart des minéraux pyroxéniques, mais des distances répétées égales à un, trois, quatre, cinq, six, sept, neuf et douze sont également connues. Ces chaînes peuvent ensuite se connecter les unes aux autres, formant des chaînes doubles et des rubans, comme dans les minéraux d'amiante, y compris les chaînes répétées des anneaux cycliques du tétraèdre. Les silicates en couches, tels que les minéraux argileux et mica, sont très courants et sont souvent formés par réticulation horizontale des chaînes de métasilicate ou condensation planaire de blocs plus petits. Un exemple est la kaolinite [Al2 (oh) 4Si2O5]; Dans beaucoup de ces minéraux, le remplacement des cations et des anions est courant, de sorte que, par exemple, le SiIV tétraédrique peut être remplacé par AlIII, AlIII - MgII et OH− F−. Les aluminosilicates à ossature tridimensionnelle sont structurellement très complexes; ils peuvent être compris comme la forme initiale de la structure SiO2, mais en remplaçant jusqu'à la moitié des atomes de SiIV par AlIII, ils nécessitent l'inclusion d'un plus grand nombre de cations dans la structure afin d'équilibrer la charge. Les exemples incluent les feldspaths (les minéraux les plus courants sur Terre), les zéolithes et les ultramarines. De nombreux feldspaths peuvent être considérés comme faisant partie du système ternaire NaAlSi3O8-KAlSi3O8-CaAl2Si2O8. Leur réseau est détruit par une pression élevée, ce qui incite AlIII à subir une coordination à six plutôt qu'à quatre, et cette réaction de destruction du feldspath peut être la raison de la frontière de Mokhorovichich, ce qui suggère que la croûte et le manteau ont la même composition chimique, mais des réseaux différents, bien que ce n'est pas une opinion universelle. Les zéolithes ont de nombreuses cavités polyédriques dans leur cadre (les cuboctaegers tronqués sont les plus courants, mais d'autres polyèdres sont également connus sous le nom de cavités zéolithiques), leur permettant d'incorporer des molécules librement liées, telles que l'eau, dans leur structure. Les ultramarines alternent des atomes de silicium et d'aluminium et comprennent de nombreux autres anions, tels que Cl -, SO2−4 et S2−2, mais sont par ailleurs similaires aux feldspaths.

Autres composés inorganiques

Le disulfure de silicium (SiS2) se forme lors de la combustion du silicium dans le soufre gazeux à 100 ° C; la sublimation du composé final dans l'azote conduit à la formation de longues fibres blanches flexibles ressemblant à l'amiante, avec une structure similaire à la W-silice. Cette substance fond à 1090 ° C et se sublime à 1250 ° C; à haute température et pression, il se transforme en une structure cristalline similaire à la cristobalite. Cependant, SiS2 n'a pas une variété de structures SiO2 et s'hydrolyse rapidement en silice et en sulfure d'hydrogène. Il est également soumis rapidement et complètement à l'ammonolyse avec de l'ammoniac liquide pour former un imide: SiS2 + 4 NH3 → Si (NH) 2 + 2 NH4SH. Il réagit avec les sulfures de sodium, magnésium, aluminium et fer pour former des thiosilicates métalliques: réaction avec l'éthanol conduit au silicate de tétraéthyle Si (OEt) 4 et au sulfure d'hydrogène. Le silicate d'éthyle est utile car son hydrolyse contrôlée forme de la colle ou de la silice pelliculaire. Le sulfure d'hydrogène réagit avec les tétrahalogénures de silicium, créant des thionalides de silicium, par exemple S (SiCl) 3, Cl2Si cyclique (μ-S)) 2SiCl2 et cristallin (SiSCl2) 4. Malgré la règle de la double liaison, des organosilanéthones stables RR'Si = S ont été obtenues en raison du mécanisme stabilisant de la coordination intermoléculaire à travers le groupe amine. Le nitrure de silicium, Si3N4, peut être formé directement par la réaction du silicium avec de l'azote au-dessus de 1300 ° C, mais une méthode de production plus économique est le chauffage de la silice et du coke dans un courant d'azote et d'hydrogène à une température de 1500 ° C. Ce serait un bon moyen, sinon pour la complexité du travail: chimiquement, il est presque complètement inerte, et même au-dessus de 1000 ° C, il conserve sa résistance, sa forme et est toujours résistant à l'usure et à la corrosion. La substance est très solide (9 sur l'échelle de dureté Mohs), ne se dissocie qu'à 1900 ° C à 1 atm, et plutôt dense (densité 3,185 g / cm3), en raison de sa structure compacte elle est similaire à la phénakite (Be2SiO4). Un matériau réfractaire similaire est le Si2N2O, qui est formé en chauffant le silicium et la silice à 1450 ° C dans un courant d'argon contenant 5% d'azote, avec la participation de silicium à 4 coordonnées et d'azote à 3 coordonnées, qui se transforme en une tuile hexagonale ridée interconnectée par Si - O - Si non linéaire connexions les uns avec les autres. La réaction des halogénures de silyle avec des dérivés de l'ammoniac ou de l'alkylammonium en phase gazeuse ou dans une solution d'éthanol donne divers silylamides volatils, qui sont des analogues de silicium des amines: 3 SiH3Cl + 4 NН3 → Н (SiH3) 3 + 3 NH4Cl SiH3Br + 2 Me2NH → SiH3NMe2R Me2 + Me2 + Me2 + 5 N2H4 → (SiH3) 2 NN (SiH3) 2 + 4 N2H5I Beaucoup de ces composés ont été préparés, la seule limitation connue est que l'azote est toujours tertiaire, et les espèces contenant le groupe SiH - NH sont instables à température ambiante. La stoechiométrie autour de l'atome d'azote dans des composés tels que N (SiH3) 3is est plate, ce qui était associé à l'interaction pπ - dπ entre une seule paire sur l'azote et une orbite dπ vide sur le silicium. De même, les trizylamines sont plus faibles en tant que ligands que leurs homologues au carbone, les amines tertiaires, bien que le remplacement de certains groupes SiH3 CH3 par des groupes atténue cet inconvénient. Par exemple, N (SiH3) 3 ne forme pas du tout d'adduit avec BH3, tandis que MeN (SiH3) 2 et Me2NSiH3 forment des adduits à basses températures, qui se décomposent lors du chauffage. Certains analogues de silicium d'imines à double liaison Si = N sont connus: But2Si = n-SiBut3 a été découvert pour la première fois en 1986.

Carbure de silicium

Le carbure de silicium (SiC) a été fabriqué pour la première fois par Edward Goodrich Acheson en 1891, qui a nommé le carborundum composé, en référence à sa dureté intermédiaire et à son abrasivité entre le diamant (allotrope de carbone) et le corindon (oxyde d'aluminium). Bientôt, il a fondé une entreprise pour sa production, et aujourd'hui environ un million de tonnes sont produites chaque année. Le carbure de silicium existe sous environ 250 formes cristallines. Le polymorphisme du SiC est caractérisé par une grande famille de structures cristallines similaires appelées polytypes. Ce sont des variations du même composé chimique qui sont identiques en deux dimensions et diffèrent dans la troisième. Ainsi, ils peuvent être considérés comme des couches pliées dans une certaine séquence. 16) Il est produit industriellement en récupérant du sable de quartz avec un excès de coke ou d'anthracite à 2000-2500 ° C dans un four électrique: SiO2 + 2 C → Si + 2 CO Si + C → SiC C'est le mélange de silicium binaire le plus stabilisé thermiquement qui ne se décompose que par perte de silicium à partir d'environ 2700 ° K. Il résiste à la plupart des acides aqueux, l'acide phosphorique étant l'exception. Il forme une couche protectrice de dioxyde de silicium à la surface et, par conséquent, n'est oxydé que dans l'air à des températures supérieures à 1000 ° C; l'élimination de cette couche par des hydroxydes ou des carbonates fondus conduit à une oxydation rapide. Le carbure de silicium est rapidement attaqué par le chlore gazeux, qui forme SiCl4 et le carbone à 100 ° C et SiCl4 et CCl4 à 1000 ° C. Il est principalement utilisé comme matériau abrasif et réfractaire, car il est chimiquement stable et très résistant, et il se brise pour former un tranchant très tranchant. Il est également utilisé comme semi-conducteur interne. Il illustre les similitudes chimiques entre le carbone et le silicium..

Composés organosiliciés

En raison du fait que la liaison Si-C a une résistance proche de la liaison C-C, les composés organosiliciques sont généralement stabilisés thermiquement et chimiquement. Par exemple, le tétraphénylsilane (SiPh4) peut être distillé dans l'air même à un point d'ébullition de 428 ° C, ainsi que ses dérivés substitués Ph3SiCl et Ph2SiCl2, qui bouillent à 378 et 305 ° C, respectivement. En outre, étant donné que le carbone et le silicium sont des composés chimiques, la chimie des organosilicium présente certaines similitudes importantes avec la chimie du carbone, par exemple, dans la tendance de ces composés à se lier et à former des liaisons multiples. Cependant, des différences importantes apparaissent également: le silicium étant plus électropositif que le carbone, les liaisons avec plus d'éléments électronégatifs sont généralement plus fortes pour le silicium que le carbone, et vice versa. Ainsi, la liaison Si-F est beaucoup plus forte que même la liaison C-F et est l'une des liaisons simples les plus fortes, tandis que la liaison Si-H est beaucoup plus faible que la liaison C-H et se brise facilement. De plus, la capacité du silicium à dilater l'octet n'est pas séparée par le carbone, et donc certaines réactions organosiliciées n'ont pas d'analogues organiques. Par exemple, une attaque nucléophile sur le silicium ne se déroule pas via des processus SN2 ou SN1, mais passe plutôt à travers un véritable intermédiaire pentacoordonné chargé négativement et apparaît comme une substitution dans un atome tertiaire encombré. Cela fonctionne pour le silicium, contrairement au carbone, car les longues liaisons Si-C réduisent l'encombrement stérique et l'orbite d du silicium n'est pas géométriquement limitée pour une attaque nucléophile, mais la différence par rapport à C - O σ *. Cependant, malgré ces différences, le mécanisme est encore souvent appelé «SN2 au silicium» pour plus de simplicité. Un des groupes contenant du silicium les plus utiles est le triméthylsilyle, Me3Si–. La liaison Si-C la reliant au reste de la molécule est suffisamment forte pour lui permettre de rester, tandis que le reste de la molécule subit des réactions, mais n'est pas si forte qu'elle ne pourrait pas être supprimée spécifiquement lorsque cela est nécessaire, par exemple, avec un ion fluor, qui est un nucléophile très faible pour les composés de carbone, mais très fort pour les composés d'organosilicium. Cela peut être comparé aux protons acides, tandis que le trisylméthyle est éliminé par les nucléophiles durs plutôt que par les bases. En règle générale, alors que les carbones saturés sont mieux attaqués par les nucléophiles, les composés neutres à base de non-métaux dans le tableau périodique (par exemple, le soufre, le sélénium ou l'iode), ou même les deux, le silicium est mieux attaqué par les nucléophiles chargés, en particulier, dans lesquels il y a de telles hautement non-métaux électronégatifs comme l'oxygène, le fluor ou le chlore. Par exemple, l'énolate réagit au carbone dans les haloalcanes, mais à l'oxygène dans les chlorures de silyle; et lorsque le triméthylsilyle est éliminé de la molécule organique en utilisant de l'hydroxyde comme nucléophile, le produit de la réaction n'est pas le silanol, comme on pourrait s'y attendre de l'utilisation de la chimie du carbone comme analogie, car le siloxyde est fortement nucléophile et attaque la molécule d'origine pour obtenir l'hexaméthyldisiloxane silyl éther, (Me3Si) 2О. Inversement, alors que la réaction SN2 affecte principalement la présence d'une charge positive partielle (δ +) sur le carbone, des réactions analogues «CH2» au silicium sont également affectées. Par exemple, les triflates de silyle sont si électrophiles qu'ils réagissent 108 à 109 fois plus rapidement que les sels de chlorure de silyle avec des nucléophiles contenant de l'oxygène. Le triflate de triméthylsilyle, en particulier, un très bon acide de Lewis, est utilisé pour convertir les mélanges de carbonyle en acétals et esters de silylénol, provoquant des réactions similaires à l'aldol. Les liaisons Si-C se forment généralement de trois manières. En laboratoire, la préparation se fait souvent en petites quantités par la réaction du tétrachlorosilane avec des réactifs organolithium, Grignard ou organoaluminium, ou par addition catalytique de Si-H via des doubles liaisons C = C. La deuxième voie présente l'inconvénient de ne pas s'appliquer aux silanes, méthyl et phényl silanes les plus importants. Les organosilanes sont fabriqués industriellement par réaction directe d'halogénures d'alkyle ou d'aryle avec du silicium avec 10% en poids de cuivre métallique comme catalyseur. Les réactions organiques standard sont suffisantes pour obtenir de nombreux dérivés; les organosilanes finaux sont souvent beaucoup plus réactifs que leurs congénères carbonés, et l'hydrolyse, l'ammonolyse, l'alcoolyse et la condensation passent rapidement pour former des oligomères cycliques ou des polymères linéaires.

Polymères de silicone

Le mot silicone a été utilisé pour la première fois par Frederick Kipping en 1901. Il a inventé le mot pour illustrer la similitude des formules chimiques entre Ph2SiO et la benzophénone, Ph2CO, bien qu'il ait également souligné le manque de similitude chimique en raison de la structure polymère de Ph2SiO, qui n'est pas séparée par Ph2CO. Les silicones peuvent être considérées comme des analogues des silicates minéraux, dans lesquels les groupes méthyle des silicones correspondent à O isoélectronique dans les silicates. Ils sont assez résistants aux températures extrêmes, à l'oxydation et à l'eau et ont des propriétés diélectriques, antiadhésives et anti-mousse utiles. De plus, ils résistent aux effets du rayonnement ultraviolet et des intempéries et sont physiologiquement inertes. Ils sont plutôt inertes, mais ne réagissent pas avec des solutions concentrées avec des ions hydroxyde et des agents de fluoration, et peuvent même parfois être utilisés comme réactifs doux pour une synthèse sélective. Par exemple, (Me3Si) 2o est utile pour la préparation de dérivés de molybdène et d'oxyhalogénures de tungstène, la conversion quantitative d'un mélange d'hexachlorure de tungstène dans une solution de dichloroéthane dans du WOCl4 pendant une heure à température ambiante, puis pour le WO2Cl2 jaune à 100 ° C.

Prévalence

Olivine

Dans l'Univers, le silicium est le septième élément le plus abondant après l'hydrogène, l'hélium, le carbone, l'azote, l'oxygène et le néon. Ces abondances ne sont pas reproduites sur Terre en raison de la séparation importante des éléments qui se produit lors de la formation du système solaire. Le silicium représente 27,2% de la croûte terrestre en poids, juste derrière l'oxygène par 45,5%, auquel il est toujours associé dans la nature. Un fractionnement supplémentaire a eu lieu dans la formation de la différenciation planétaire de la Terre: le noyau terrestre, qui représente 31,5% de la masse de la Terre, a une composition approximative de Fe25Ni2Co0.1S3; le manteau représente 68,1% de la masse terrestre et se compose principalement d'oxydes denses et de silicates, par exemple l'olivine (MG, Fe) 2SiO4; tandis que les minéraux siliceux légers, tels que les aluminosilicates, remontent à la surface et forment une croûte, qui représente 0,4% de la masse terrestre. La cristallisation des roches ignées à partir du magma dépend d'un certain nombre de facteurs, notamment: la composition chimique du magma, la vitesse de refroidissement et certaines propriétés des minéraux individuels qui seront formés, telles que l'énergie du réseau, le point de fusion et la complexité de leur structure cristalline. Lors du refroidissement du magma, l'olivine apparaît d'abord, puis le pyroxène, l'amphibole, le mica biotite, le feldspath orthoclase, le mica muscovite, le quartz, les zéolithes et enfin les minéraux hydrothermaux. Cette séquence montre une tendance vers des agrégats de silicate de plus en plus complexes avec refroidissement et l'introduction d'anions d'hydroxyde et de fluorure en plus des oxydes. De nombreux métaux peuvent remplacer le silicium. Après que ces roches ignées ont subi l'altération, le transport et le dépôt, des roches sédimentaires telles que l'argile, l'ardoise et le grès se sont formées. Le métamorphisme peut également se produire à des températures et des pressions élevées, créant une variété encore plus large de minéraux. 17)

Production

Le silicium d'une pureté de 96 à 99% est fabriqué en restaurant du quartzite ou du sable avec du coke très pur. La réduction est réalisée dans un four à arc électrique avec un excès de SiO2 utilisé pour éviter l'accumulation de carbure de silicium (SiC): SiO2 + 2 C → Si + 2 CO 2 SiC + SiO2 → 3 Si + 2 CO

Alliage de ferrosilicium

Cette réaction, connue sous le nom de réduction carbothermique du dioxyde de silicium, est généralement effectuée en présence de ferraille à faible teneur en phosphore et en soufre, formant du ferrosilicium. Le ferrosilicium, un alliage fer-silicium contenant divers ratios de silicium élémentaire et de fer, représente environ 80% de la production mondiale de silicium élémentaire, et la Chine, un des principaux fournisseurs de silicium élémentaire, fournit 4,6 millions de tonnes (ou 2/3 de la production mondiale) de silicium, la plupart qui - sous forme de ferrosilicium. Elle est suivie par la Russie (610 000 tonnes), la Norvège (330 000 tonnes), le Brésil (240 000 tonnes) et les États-Unis (170 000 tonnes). Le ferrosilicium est principalement utilisé dans l'industrie métallurgique, avec une utilisation principale comme agent d'alliage dans le fer ou l'acier et pour la désoxydation de l'acier dans les aciéries intégrées. Une autre réaction parfois utilisée est la réduction aluminothermique du dioxyde de silicium, comme indiqué ci-dessous: 3 SiO2 + 4 Al → 3 Si + 2 Al2O3 Lixiviation de silicium pur en poudre à 96-97% avec de l'eau

98,5% de silicium pur, utilisé dans l'industrie chimique. Cependant, une pureté encore plus grande est nécessaire pour les applications dans les semi-conducteurs, et cela se fait lors de la réduction du tétrachlorosilane ou du trichlorosilane. Le premier est obtenu par la chloration des déchets de silicium puis des abats de la production de silicone. Ces mélanges s'évaporent et peuvent donc être purifiés par une distillation partielle répétée, suivie d'une réduction au silicium d'origine avec du zinc métal très pur comme diluant. Les portions spongieuses du silicone ainsi produit sont fondues puis cultivées pour former des monocristaux cylindriques avant d'être purifiées par raffinage de zone. D'autres procédés utilisent la décomposition thermique du silane ou du tétraiodosilane. Un autre procédé utilisé est la réduction de l'hexafluorosilicate de sodium, un déchet général de l'industrie des engrais phosphatés, en sodium métallique: il est exothermique et ne nécessite donc aucune source de combustible externe. Le silicium ultra-mince est fabriqué avec une purification plus élevée que presque tous les autres matériaux: la production d'un transistor nécessite des niveaux d'impureté dans les cristaux de silicium inférieurs à 1 partie pour 1010, et dans des cas spéciaux, des niveaux d'impureté inférieurs à 1 partie pour 1012 sont nécessaires et réalisables.

Applications

Connexions

La plupart des types de silicium sont utilisés industriellement sans purification, et en effet, souvent avec relativement peu de traitement à partir de leur forme naturelle. Plus de 90% de la croûte terrestre est constituée de minéraux silicatés, qui sont des composés de silicium et d'oxygène, souvent avec des ions métalliques, lorsque les anions de silicate chargés négativement nécessitent des cations pour équilibrer la charge. Beaucoup d'entre eux ont des applications commerciales immédiates, comme l'argile, le sable de silice et la plupart des types de pierre de construction. Ainsi, la grande majorité des utilisations du silicium - en tant que mélange structurel, ou en tant que minéraux silicatés ou silice (dioxyde de silicium immature). Les silicates sont utilisés dans la fabrication de ciment Portland (principalement des silicates de calcium), qui est utilisé dans le mortier de construction et le plâtre moderne, et, plus important encore, combinés avec du sable de silice et du gravier (contenant généralement des minéraux silicatés comme le granit), pour fabriquer du béton, qui est la fondation d'un grand nombre des plus grands projets de construction industrielle. 18) La silice est utilisée pour fabriquer des briques réfractaires, comme la céramique. Les minéraux silicatés sont également utilisés dans les céramiques fines, un type de produit important, contenant généralement divers types de minéraux argileux calcinés (phyllosilicates d'aluminium naturels). Un exemple est la porcelaine, qui est à base de kaolinite minérale silicatée. Le verre traditionnel (verre sodocalcique au gel de silice) fonctionne également de la même manière et est également utilisé pour les fenêtres et les conteneurs. En plus de cela, les fibres de verre à base de silice sont utilisées pour la fibre de verre, également pour la production de fibre de verre pour le support structurel et de laine de verre pour l'isolation thermique. Les silicones sont souvent utilisées dans la fabrication de matériaux résistants à l'eau, de matériaux de moulage, d'agents de démoulage, de mastics mécaniques, de lubrifiants et de cires à haute température et de mélanges de mastics. Le silicone est également parfois utilisé dans les implants mammaires, les lentilles de contact, les explosifs et la pyrotechnie. Les polymères de type éponge ont été fabriqués à l'origine en ajoutant de l'acide borique à l'huile de silicone. D'autres composés de silicium fonctionnent comme des abrasifs de haute technologie et de nouveaux alliages céramiques à base de carbure de silicium à haute résistance. Le silicium est un composant de certains superalliages.

Alliages

Le silicium élémentaire est ajouté aux pièces moulées en fer fondu sous forme de ferrosilicium ou d'alliages silico-calciques pour augmenter les performances de moulage de profilés minces et empêcher la formation de cémentite lorsqu'il est exposé à l'air extérieur. La présence de silicium primordial dans le fer liquide agit comme un puits d'oxygène, de sorte que la teneur en acier au carbone qui doit être maintenue dans des limites étroites pour chaque type d'acier peut être mieux contrôlée. Le ferrosilicium est produit et utilisé dans l'industrie sidérurgique, et bien que cette forme de silicium élémentaire soit extrêmement impure, elle représente 80% de l'utilisation mondiale de silicium libre. Le silicium est un composant important de l'acier électrique, modifiant sa résistivité et ses propriétés ferromagnétiques. Les propriétés du silicium peuvent être utilisées pour modifier les alliages avec les métaux, à l'exception du fer. Le silicium «métallurgique» est du silicium d'une pureté de 95 à 99%. Environ 55% de la consommation mondiale de silicium de qualité métallurgique est consacrée à la production d'alliages aluminium-silicium (alliages de silumin) pour la coulée de pièces en aluminium, principalement destinés à l'industrie automobile. L'importance du silicium dans la coulée d'aluminium est due au fait qu'une quantité importante (12%) de silicium dans l'aluminium forme un mélange eutectique qui durcit avec très peu de rétrécissement thermique. Cela réduit considérablement les écarts de contrainte lorsque les alliages coulés refroidissent à l'état solide. Le silicium améliore également considérablement la dureté et donc la résistance à l'usure de l'aluminium. dix-neuf)

Électronique

La plupart du silicium élémentaire reste sous la forme d'un alliage de ferrosilicium, et seulement environ 20% se rapprochent de la pureté métallurgique (1,3 à 1,5 million de tonnes métriques / an). On estime que 15% de la production mondiale de silicium métallurgique est encore affinée jusqu'à la pureté des semi-conducteurs. Il s'agit typiquement d'une pureté "9-9" ou 99,9999999%, 20) d'un matériau monocristallin libre presque défectueux. Le silicium monocristallin d'une telle pureté est généralement produit dans le procédé Czochralski et est utilisé pour produire des tranches de silicium utilisées dans l'industrie des semi-conducteurs, en électronique, ainsi que dans certaines applications photovoltaïques coûteuses et très efficaces. Le silicium pur est un semi-conducteur interne, ce qui signifie que, contrairement aux métaux, il conduit des trous d'électrons et des électrons libérés des atomes par la chaleur; la conductivité électrique du silicium augmente avec l'augmentation de la température. Le silicium pur a une conductivité trop faible (c'est-à-dire une résistivité trop élevée) pour être utilisé comme élément dans un circuit électronique. Dans la pratique, le silicium pur est dopé avec de petites concentrations de certains autres éléments, ce qui augmente considérablement sa conductivité et régule sa réaction électrique, contrôlant la quantité et la charge (positive ou négative) des supports activés. Un tel contrôle est nécessaire pour les transistors, les photocellules, les détecteurs à semi-conducteurs et d'autres dispositifs à semi-conducteurs utilisés dans l'industrie informatique et d'autres applications techniques. En photonique sur silicium, le silicium peut être utilisé comme milieu laser Raman à onde continue pour produire une lumière cohérente. Dans les circuits intégrés courants, les tranches de silicium monocristallin servent de support mécanique aux fils qui sont créés par amincissement et isolés les uns des autres avec de minces couches d'oxyde de silicium, un isolant qui est facilement produit sur une surface de Si dans le processus d'oxydation thermique ou d'oxydation locale (LOCOS), ce qui suggère exposition à l'oxygène dans certaines conditions qui peuvent être prédites à l'aide du modèle de Deal-Grove. Le silicium est devenu le matériau le plus populaire pour les semi-conducteurs à haute puissance et les circuits intégrés, car il peut résister aux températures les plus élevées et à la plus grande activité électrique sans subir de panne d'avalanche (une avalanche électronique est créée lorsque la chaleur produit des électrons libres et des trous qui, dans ils passent plus de courant, ce qui produit plus de chaleur). De plus, l'oxyde de silicium isolé est insoluble dans l'eau, ce qui lui confère un avantage sur le germanium (un élément aux propriétés similaires qui peuvent être nécessaires dans les dispositifs à semi-conducteurs) dans certaines méthodes de fabrication. Le silicium monocristallin est coûteux à fabriquer et ne se justifie généralement que dans la fabrication de circuits intégrés, où de minuscules défauts cristallins peuvent interférer avec de minuscules circuits. D'autres types de silicium peuvent être utiles pour d'autres utilisations, notamment le silicium amorphe rempli d'hydrogène et le silicium métallurgique amélioré (UMG-Si), utilisés dans la fabrication de composants électroniques à bas prix dans les écrans à cristaux liquides et les photocellules à film mince à bas prix. Ces types de silicium semi-conducteur sont soit un peu moins purs ou polycristallins plutôt que monocristallins et sont produits en quantités comparables, comme le silicium monocristallin: de 75 000 à 150 000 tonnes par an. Le marché du silicium bon marché croît plus rapidement que le silicium monocristallin. D'ici 2013, la production de silicium polycristallin, utilisé principalement dans les cellules solaires, devrait atteindre 200 000 tonnes métriques par an, tandis que le silicium semi-conducteur monocristallin devrait rester inférieur à 50 000 tonnes par an..

Rôle biologique

Bien que le silicium soit disponible sous forme de silicates, très peu d'organismes l'utilisent directement. Les diatomées, les radiolaires et les éponges siliceuses utilisent du silicium biogénique comme matériau structurel pour leurs squelettes. Dans les plantes plus avancées, les phytolithes de silice (phytolithes opales) sont des corps microscopiques solides trouvés dans la cellule; certaines plantes, comme le riz, ont besoin de silicium pour leur croissance. 21) Il a été démontré que le silicium améliore la résistance et l'intégrité structurale de la paroi cellulaire de certaines plantes.

Nutrition humaine

Il existe des preuves que le silicium est important pour la santé humaine, en particulier pour la santé des ongles, des cheveux, des os et des tissus cutanés, par exemple, dans des études qui démontrent que les femmes préménopausées ayant un apport alimentaire en silicium plus élevé ont une densité osseuse plus élevée, et l'ajout de le silicium peut augmenter le volume et la densité osseuse chez les patients atteints d'ostéoporose. Le silicium est nécessaire à la synthèse de l'élastine et du collagène, et en plus grande quantité ils sont contenus dans l'aorte, et est considéré comme un élément indispensable; néanmoins, il est difficile de prouver son caractère indispensable, car le silicium est très fréquent, et par conséquent, les symptômes de carence sont difficiles à reproduire. 22) Le silicium est actuellement considéré comme un candidat au statut de «substance utile pour les plantes» par l'Association of American Plant Food Control Officials (AAPFCO).

sécurité

Les personnes peuvent être exposées au silicium élémentaire sur le lieu de travail en l'inhalant en interne, par ingestion ou par contact avec la peau ou les yeux. Dans les 2 derniers cas, le silicium présente peu de danger comme irritant. Nocif par inhalation. L'Administration de la sécurité et de la santé au travail (OSHA) a établi une limite légale (limite d'exposition) pour l'exposition au silicium sur le lieu de travail de 15 mg / m3 d'exposition totale et de 5 mg / m3 d'exposition respiratoire sur une journée de travail de 8 heures. L'Institut national pour la sécurité et la santé au travail (NIOSH) a fixé une limite d'exposition recommandée (REL) de 10 mg / m3 d'exposition totale et de 5 mg / m3 d'exposition respiratoire sur une journée de travail de 8 heures. L'inhalation de poussières de silice cristalline peut conduire à la silicose, une maladie pulmonaire professionnelle caractérisée par une inflammation et des cicatrices sous forme de lésions nodulaires dans les lobes supérieurs des poumons. 23)

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