Dioxyde de silicone

Le dioxyde de silicium , également connu sous le nom de silice , est un oxyde de silicium de formule chimique SiO ₂ , que l’on trouve le plus souvent dans la nature sous forme de quartz et dans divers organismes vivants. ^{[5] [6]} Dans de nombreuses régions du monde, la silice est le principal constituant du sable . La silice est l’une des familles de matériaux les plus complexes et les plus abondantes, existant sous la forme d’un composé de plusieurs minéraux et d’un produit synthétique. Des exemples notables incluent le quartz fondu , la silice fumée , le gel de silice , l’ opale et les aérogels .. Il est utilisé dans les matériaux de structure, la microélectronique (comme isolant électrique ) et comme composants dans les industries alimentaires et pharmaceutiques.

Dioxyde de silicone

Un échantillon de dioxyde de silicium
Des noms
Nom IUPAC Dioxyde de silicone
Autres noms Quartz Silice Oxyde de silice Oxyde de silicium(IV) Silice cristalline Silice pure Silicea Sable de silice
Identifiants
Numero CAS	7631-86-9 Oui
ChEBI	CHEBI:30563 Oui
ChemSpider	22683 Oui
Carte d’information de l’ECHA	100.028.678
Numéro CE	231-545-4
Numéro E	E551 (régulateurs d’acidité, …)
Référence Gmelin	200274
KEGG	C16459 Oui
Engrener	Silicium+dioxyde
CID PubChem	24261
Numéro RTECS	VV7565000
UNII	ETJ7Z6XBU4 Oui
Tableau de bord CompTox ( EPA )	DTXSID1029677
InChI InChI=1S/O2Si/c1-3-2 Oui Clé : VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Oui
Propriétés
Formule chimique	SiO2 _
Masse molaire	60,08 g/mol
Apparence	Solide transparent (Amorphe) Blanc/Jaune blanchâtre (Poudre/Sable)
Densité	2,648 (α-quartz), 2,196 (Amorphe) g·cm −3 [1]
Point de fusion	1713 ° C (3115 ° F; 1986 K) (Amorphe) [1] : 4,88 à
Point d’ébullition	2950 ° C (5340 ° F; 3220 K) [1]
Susceptibilité magnétique (χ)	−29,6·10 −6 cm 3 /mol
Conductivité thermique	12 (|| axe c), 6.8 (⊥ axe c), 1.4 (am.) W/(m⋅K) [1] : 12.213
Indice de réfraction ( n D )	1.544 ( o ), 1.553 (e) [1] : 4.143
Dangers
NFPA 704 (diamant de feu)	0 0 0
NIOSH (limites d’exposition pour la santé aux États-Unis) :
PEL (Autorisé)	TWA 20 mppcf (80 mg/m 3 /%SiO 2 ) (Amorphe) [2]
REL (recommandé)	TWA 6 mg/m 3 (Amorphe) [2] Ca TWA 0,05 mg/m 3 [3]
DIVS (Danger immédiat)	3000 mg/m 3 (Amorphe) [2] Ca [25 mg/m 3 (cristobalite, tridymite); 50 mg/ m3 (quartz)] [3]
Composés apparentés
dions associés	Gaz carbonique Dioxyde de germanium Dioxyde d’ étain Dioxyde de plomb
Composés apparentés	Monoxyde de silicium Sulfure de silicium
Thermochimie
Entropie molaire standard ( S o 298 )	42 J·mol −1 ·K −1 [4]
Enthalpie standard de formation (Δ f H ⦵ 298 )	−911 kJ·mol −1 [4]
Sauf indication contraire, les données sont données pour les matériaux dans leur état standard (à 25 °C [77 °F], 100 kPa). N vérifier ( qu’est-ce que c’est ?) OuiN Références de la boîte d’information

Structure

Motif structurel trouvé dans le quartz α, mais également présent dans presque toutes les formes de dioxyde de silicium Sous-unité typique pour le dioxyde de silicium à basse pression Relation entre l’indice de réfraction et la densité pour certaines formes de SiO ₂ ^[7]

Dans la majorité des silicates , l’atome de silicium présente une coordination tétraédrique , avec quatre atomes d’oxygène entourant un atome de Si central ( voir cellule unitaire 3-D ). Ainsi, SiO ₂ forme des solides en réseau tridimensionnel dans lesquels chaque atome de silicium est lié de manière covalente de manière tétraédrique à 4 atomes d’oxygène. En revanche, le CO ₂ est une molécule linéaire. Les structures radicalement différentes des dioxydes de carbone et de silicium sont une manifestation de la règle de la double liaison .

SiO ₂ a plusieurs formes cristallines distinctes , mais elles ont presque toujours la même structure locale autour de Si et O. Dans le quartz α, la longueur de la liaison Si-O est de 161 pm, alors que dans l’α-tridymite, elle est comprise entre 154 et 171 pm. . L’angle Si-O-Si varie également entre une faible valeur de 140° dans l’α-tridymite, jusqu’à 180° dans la β-tridymite. Dans le quartz α, l’angle Si-O-Si est de 144°. ^[8]

Polymorphisme

Le Quartz alpha est la forme stable de SiO ₂ solide à température ambiante. Les minéraux à haute température, la cristobalite et la tridymite , ont à la fois des densités et des indices de réfraction inférieurs à ceux du quartz. La transformation du quartz α en quartz bêta se produit brusquement à 573 °C. La transformation s’accompagnant d’un changement important de volume, elle peut facilement induire la fracturation des céramiques ou des roches passant par cette limite de température. ^[9] Les minéraux à haute pression, la seifertite , la stishovite et la coésite , cependant, ont des densités et des indices de réfraction plus élevés que le quartz. ^[10] Stishovite a unstructure de type rutile où le silicium est à 6 coordonnées. La densité de la stishovite est de 4,287 g/cm ³ , ce qui se compare au quartz α, la plus dense des formes à basse pression, qui a une densité de 2,648 g/cm ³ . ^[11] La différence de densité peut être attribuée à l’augmentation de la coordination car les six longueurs de liaison Si-O les plus courtes dans la stishovite (quatre longueurs de liaison Si-O de 176 pm et deux autres de 181 pm) sont supérieures à la Si-O longueur de liaison (161 pm) dans le quartz α. ^[12] Le changement de coordination augmente l’ionicité de la liaison Si-O. ^[13] Plus important encore, tout écart par rapport à ces paramètres standard constitue des différences ou des variations microstructurales, qui représentent une approche d’un Amorphe, solide vitreux ou vitreux.

La silice faujasite , autre polymorphe, est obtenue par désalumination d’une zéolithe Y ultrastable à faible teneur en sodium avec traitement combiné acide et thermique. Le produit résultant contient plus de 99 % de silice et présente une cristallinité et une surface spécifique élevées (plus de 800 m2 ^/ g). La faujasite-silice a une stabilité thermique et acide très élevée. Par exemple, il maintient un degré élevé d’ordre moléculaire ou de cristallinité à longue portée même après ébullition dans de l’acide chlorhydrique concentré . ^[14]

SiO2 _fondu

La Silice fondue présente plusieurs caractéristiques physiques particulières similaires à celles observées dans l’eau liquide : dilatation thermique négative, densité maximale à des températures ~5000 °C et capacité calorifique minimale. ^[15] Sa densité diminue de 2,08 g/cm ³ à 1950 °C à 2,03 g/cm ³ à 2200 °C. ^[16]

SiO2 _moléculaire

Le SiO ₂ moléculaire a une structure linéaire comme le CO ₂ . Il a été produit en combinant du monoxyde de silicium (SiO) avec de l’oxygène dans une matrice d’ argon . Le dioxyde de silicium dimère, (SiO ₂ ) ₂ a été obtenu en faisant réagir O ₂ avec du monoxyde de silicium dimère isolé dans la matrice (Si ₂ O ₂ ). Dans le dioxyde de silicium dimère, il y a deux atomes d’oxygène pontant entre les atomes de silicium avec un angle Si-O-Si de 94° et une longueur de liaison de 164,6 pm et la longueur de la liaison terminale Si-O est de 150,2 pm. La longueur de la liaison Si-O est de 148,3 pm, ce qui se compare à la longueur de 161 pm dans le quartz α. L’énergie de liaison est estimée à 621,7 kJ/mol. ^[17]

Occurrence naturelle

Géologie

Le SiO ₂ se trouve le plus souvent dans la nature sous forme de quartz , qui représente plus de 10 % en masse de la croûte terrestre. ^[18] Le quartz est le seul polymorphe de silice stable à la surface de la Terre. Des occurrences métastables des formes à haute pression coésite et stishovite ont été trouvées autour des structures d’impact et associées à des éclogites formées lors du métamorphisme à ultra-haute pression . Les formes à haute température de la tridymite et de la cristobalite sont connues des roches volcaniques riches en silice . Dans de nombreuses régions du monde, la silice est le principal constituant du sable. ^[19]

La biologie

Même si elle est peu soluble, la silice est présente dans de nombreuses plantes comme le riz . Les matières végétales à haute teneur en phytolithes de silice semblent être importantes pour les animaux au pâturage, des insectes broyeurs aux ongulés . La silice accélère l’usure des dents et des niveaux élevés de silice dans les plantes fréquemment consommées par les herbivores peuvent s’être développés comme mécanisme de défense contre la prédation. ^{[20] [21]}

La silice est également le composant principal de la Cendre de balle de riz , qui est utilisée, par exemple, dans la filtration et comme matériau cimentaire supplémentaire (SCM) dans la fabrication du ciment et du béton . ^{[ citation nécessaire ]}

Depuis plus d’un milliard d’années, la silicification dans et par les cellules est courante dans le monde biologique. Dans le monde moderne, il se produit dans les bactéries, les organismes unicellulaires, les plantes et les animaux (invertébrés et vertébrés). Les exemples les plus frappants incluent :

• Tests ou frustules (c’est-à-dire coquilles) de Diatomées , radiolaires et amibes à testicules . ^[6]
• Phytolithes de silice dans les cellules de nombreuses plantes, y compris Equisetaceae , pratiquement toutes les graminées et une large gamme de dicotylédones .
• Les spicules formant le squelette de nombreuses éponges .

Les minéraux cristallins formés dans l’environnement physiologique présentent souvent des propriétés physiques exceptionnelles (par exemple, résistance, dureté, ténacité à la rupture) et ont tendance à former des structures hiérarchiques qui présentent un ordre microstructural sur une gamme d’échelles. Les minéraux sont cristallisés à partir d’un milieu sous-saturé en silicium, et dans des conditions de pH neutre et de basse température (0-40 °C).

On ne sait pas en quoi la silice est importante dans la nutrition des animaux . Ce domaine de recherche est difficile car la silice est omniprésente et, dans la plupart des cas, ne se dissout qu’en quantités infimes. Néanmoins, cela se produit certainement dans le corps vivant, ce qui crée le défi de créer des contrôles sans silice à des fins de recherche. Cela rend difficile de savoir avec certitude quand la silice présente a eu des effets bénéfiques opératoires, et quand sa présence est fortuite, voire nocive. Le consensus actuel est qu’il semble certainement important dans la croissance, la force et la gestion de nombreux tissus conjonctifs. Cela est vrai non seulement pour les tissus conjonctifs durs tels que les os et les dents ^{[ clarification nécessaire ]}mais peut-être aussi dans la biochimie des structures contenant des enzymes subcellulaires. ^{[22] [ source obsolète ]}

Les usages

Utilisation structurelle

Environ 95 % de l’utilisation commerciale du dioxyde de silicium (sable) se produit dans l’industrie de la construction, par exemple pour la production de béton (Béton de ciment Portland ). ^[18]

Certains gisements de sable de silice, avec une taille et une forme de particules souhaitables et une teneur en argile et autres minéraux souhaitable, étaient importants pour le moulage au sable de produits métalliques. ^[23] Le point de fusion élevé de la silice lui permet d’être utilisée dans des applications telles que la fonte ; le moulage au sable moderne utilise parfois d’autres minéraux pour d’autres raisons.

La silice cristalline est utilisée dans la fracturation hydraulique des formations qui contiennent du pétrole étanche et du gaz de schiste . ^[24]

Précurseur du verre et du silicium

La silice est l’ingrédient principal dans la production de la plupart du verre . Comme d’autres minéraux sont fondus avec de la silice, le principe de la dépression du point de congélation abaisse le point de fusion du mélange et augmente la fluidité. La température de transition vitreuse du SiO ₂ pur est d’environ 1475 K. ^[25] Lorsque le dioxyde de silicium fondu SiO ₂ est rapidement refroidi, il ne cristallise pas, mais se solidifie sous forme de verre. Pour cette raison, la plupart des émaux céramiques contiennent de la silice comme ingrédient principal.

La géométrie structurelle du silicium et de l’oxygène dans le verre est similaire à celle du quartz et de la plupart des autres formes cristallines de silicium et d’oxygène, le silicium étant entouré de tétraèdres réguliers de centres d’oxygène. La différence entre les formes vitreuse et cristalline provient de la connectivité des unités tétraédriques : bien qu’il n’y ait pas de périodicité à longue portée dans le réseau vitreux, l’ordre reste à des échelles de longueur bien au-delà de la longueur de la liaison SiO. Un exemple de cet ordre est la préférence pour former des anneaux de 6-tétraèdres. ^[26]

La majorité des fibres optiques pour les télécommunications sont également fabriquées à partir de silice. C’est une matière première primaire pour de nombreuses céramiques telles que la faïence , le grès et la porcelaine .

Le dioxyde de silicium est utilisé pour produire du silicium élémentaire . Le procédé implique une Réduction carbothermique dans un four à arc électrique : ^[27]

SiO 2 + 2 C ⟶ Si + 2 CO {displaystyle {ce {SiO2 + 2C -> Si + 2CO}}}

Silice pyrogénée

La silice fumée , également connue sous le nom de silice pyrogénée, est préparée en brûlant SiCl ₄ dans une flamme d’hydrogène riche en oxygène pour produire une « fumée » de SiO ₂ . ^[11]

SiCl 4 + 2 H 2 + O 2 ⟶ SiO 2 + 4 HCl {displaystyle {ce {SiCl4 + 2 H2 + O2 -> SiO2 + 4 HCl}}}

Il peut également être produit en vaporisant du sable de quartz dans un arc électrique à 3000 °C. Les deux procédés donnent des gouttelettes microscopiques de silice Amorphe fusionnées en particules secondaires tridimensionnelles ramifiées en forme de chaîne qui s’agglomèrent ensuite en particules tertiaires, une poudre blanche avec une densité apparente extrêmement faible (0,03-0,15 g/cm ³ ) et donc une surface spécifique élevée. . ^[28] Les particules agissent comme un agent épaississant thixotrope , ou comme un agent anti-agglomérant, et peuvent être traitées pour les rendre hydrophiles ou hydrophobes pour les applications d’eau ou de liquide organique.

Silice fumée fabriquée avec une surface maximale de 380 m ² /g

La fumée de silice est une poudre ultrafine collectée en tant que sous-produit de la production d’alliages de silicium et de ferrosilicium . Il se compose de particules sphériques amorphes (non cristallines) d’un diamètre moyen de particule de 150 nm, sans la ramification du produit pyrogène. L’utilisation principale est comme matériau pouzzolanique pour le béton à haute performance. Les nanoparticules de silice fumée peuvent être utilisées avec succès comme agent anti-vieillissement dans les liants d’asphalte. ^[29]

Applications alimentaires, cosmétiques et pharmaceutiques

La silice, qu’elle soit colloïdale, précipitée ou pyrogénée, est un additif courant dans la production alimentaire. Il est principalement utilisé comme agent d’écoulement ou anti- agglomérant dans les aliments en poudre tels que les épices et les crèmes à café non laitières, ou les poudres à transformer en comprimés pharmaceutiques. ^[28] Il peut adsorber l’eau dans les applications hygroscopiques . La silice colloïdale est utilisée comme Agent de collage pour le vin, la bière et les jus, avec le numéro E de référence E551 . ^[18]

En cosmétique, la silice est utile pour ses propriétés de diffusion de la lumière ^[30] et son pouvoir absorbant naturel. ^[31]

La terre de Diatomées , un produit minier, est utilisée dans l’alimentation et les cosmétiques depuis des siècles. Il se compose des coquilles de silice des Diatomées microscopiques ; sous une forme moins transformée, il était vendu sous le nom de “poudre de dent”. ^{[ citation nécessaire ] La} silice hydratée fabriquée ou extraite est utilisée comme abrasif dur dans le dentifrice .

Semi-conducteurs

Le dioxyde de silicium est largement utilisé dans la technologie des semi-conducteurs

• pour la passivation primaire (directement sur la surface du semi-conducteur),
• comme diélectrique de grille original en technologie MOS . Aujourd’hui, lorsque la mise à l’échelle (dimension de la longueur de grille du transistor MOS) a progressé en dessous de 10 nm, le dioxyde de silicium a été remplacé par d’autres matériaux diélectriques comme l’oxyde d’hafnium ou similaire avec une constante diélectrique plus élevée par rapport au dioxyde de silicium,
• en tant que couche diélectrique entre les couches métalliques (câblage) (parfois jusqu’à 8-10) éléments de connexion et
• en tant que deuxième couche de passivation (pour protéger les éléments semi-conducteurs et les couches de métallisation) généralement aujourd’hui en couches avec d’autres diélectriques comme le nitrure de silicium .

Parce que le dioxyde de silicium est un oxyde natif de silicium, il est plus largement utilisé par rapport à d’autres semi-conducteurs comme l’arséniure de gallium ou le phosphure d’indium .

Le dioxyde de silicium pourrait être développé sur une surface semi-conductrice de silicium . ^[32] Les couches d’oxyde de silicium pourraient protéger les surfaces de silicium pendant les processus de diffusion et pourraient être utilisées pour le masquage de diffusion. ^{[33] [34]}

La passivation de surface est le processus par lequel une surface semi-conductrice est rendue inerte et ne modifie pas les propriétés semi-conductrices en raison de l’interaction avec l’air ou d’autres matériaux en contact avec la surface ou le bord du cristal. ^{[35] [36]} La formation d’une couche de dioxyde de silicium à croissance thermique réduit considérablement la concentration d’ états électroniques à la surface du silicium . ^[36] Les films de SiO ₂ préservent les caractéristiques électriques des jonctions p–n et empêchent ces caractéristiques électriques de se détériorer par l’environnement ambiant gazeux. ^[34]Des couches d’oxyde de silicium pourraient être utilisées pour stabiliser électriquement les surfaces de silicium. ^[33] Le processus de passivation de surface est une méthode importante de fabrication de dispositifs semi -conducteurs qui consiste à revêtir une plaquette de silicium d’une couche isolante d’oxyde de silicium afin que l’électricité puisse pénétrer de manière fiable dans le silicium conducteur situé en dessous. La croissance d’une couche de dioxyde de silicium au-dessus d’une plaquette de silicium lui permet de surmonter les états de surface qui empêchent autrement l’électricité d’atteindre la couche semi-conductrice. ^{[35] [37]}

Le processus de passivation de la surface du silicium par oxydation thermique (dioxyde de silicium) est essentiel pour l’ industrie des semi -conducteurs . Il est couramment utilisé pour fabriquer des transistors à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur (MOSFET) et des puces de circuits intégrés en silicium (avec le procédé planaire ). ^{[35] [37]}

Autre

La silice hydrophobe est utilisée comme composant antimousse .

En sa qualité de réfractaire , il est utile sous forme fibreuse comme tissu de protection thermique haute température . ^{[ citation nécessaire ]}

La silice est utilisée dans l’ extraction de l’ADN et de l’ ARN en raison de sa capacité à se lier aux acides nucléiques en présence de chaotropes . ^[38]

L’aérogel de silice a été utilisé dans le vaisseau spatial Stardust pour collecter des particules extraterrestres. ^[39]

La silice pure (dioxyde de silicium), lorsqu’elle est refroidie sous forme de quartz fondu dans un verre sans véritable point de fusion, peut être utilisée comme fibre de verre pour la fibre de verre.

Production

Le dioxyde de silicium est principalement obtenu par l’exploitation minière, y compris l’extraction de sable et la purification du quartz . Le quartz convient à de nombreuses fins, tandis qu’un traitement chimique est nécessaire pour fabriquer un produit plus pur ou autrement plus approprié (par exemple, plus réactif ou à grain fin). ^{[ citation nécessaire ]}

Silice précipitée

La silice précipitée ou silice Amorphe est produite par l’acidification de solutions de silicate de sodium . Le précipité gélatineux ou gel de silice , est d’abord lavé puis déshydraté pour produire de la silice microporeuse incolore. ^[11] L’équation idéalisée impliquant un trisilicate et de l’acide sulfurique est :

Na 2 Si 3 O 7 + H 2 SO 4 ⟶ 3 SiO 2 + Na 2 SO 4 + H 2 O {displaystyle {ce {Na2Si3O7 + H2SO4 -> 3 SiO2 + Na2SO4 + H2O}}}

Environ un milliard de kilogrammes / an (1999) de silice ont été produits de cette manière, principalement pour une utilisation dans les composites polymères – pneus et semelles de chaussures. ^[18]

Sur les micropuces

Des couches minces de silice se développent spontanément sur des tranches de silicium par oxydation thermique , produisant une couche très peu profonde d’environ 1 nm ou 10 Å d’oxyde dit natif. ^[40] Des températures plus élevées et des environnements alternatifs sont utilisés pour développer des couches bien contrôlées de dioxyde de silicium sur du silicium, par exemple à des températures comprises entre 600 et 1 200 °C, en utilisant ce que l’on appelle l’oxydation sèche avec O ₂

Si + O 2 ⟶ SiO 2 {displaystyle {ce {Si + O2 -> SiO2}}}

ou oxydation humide avec H ₂ O. ^{[41] [42]}

Si + 2 H 2 O ⟶ SiO 2 + 2 H 2 {displaystyle {ce {Si + 2 H2O -> SiO2 + 2 H2}}}

La couche d’oxyde natif est bénéfique en microélectronique , où elle agit comme isolant électrique avec une stabilité chimique élevée. Il peut protéger le silicium, stocker la charge, bloquer le courant et même agir comme une voie contrôlée pour limiter le flux de courant. ^[43]

Laboratoire ou méthodes spéciales

À partir de composés organosiliciés

De nombreuses voies vers le dioxyde de silicium commencent par un composé organosilicié, par exemple HMDSO, ^[44] TEOS. La synthèse de la silice est illustrée ci-dessous en utilisant de l’orthosilicate de tétraéthyle (TEOS). ^[45] Le simple fait de chauffer TEOS à 680–730 °C donne l’oxyde :

Si ( OC 2 H 5 ) 4 ⟶ SiO 2 + 2 O ( C 2 H 5 ) 2 {displaystyle {ce {Si(OC2H5)4 -> SiO2 + 2 O(C2H5)2}}}

De même TEOS brûle autour de 400 °C :

Si ( OC 2 H 5 ) 4 + 12 O 2 ⟶ SiO 2 + 10 H 2 O + 8 CO 2 {displaystyle {ce {Si(OC2H5)4 + 12 O2 -> SiO2 + 10 H2O + 8 CO2}}}

Le TEOS subit une hydrolyse via le procédé dit sol-gel . Le déroulement de la réaction et la nature du produit sont affectés par les catalyseurs, mais l’équation idéalisée est : ^[46]

Si ( OC 2 H 5 ) 4 + 2 H 2 O ⟶ SiO 2 + 4 HOCH 2 CH 3 {displaystyle {ce {Si(OC2H5)4 + 2 H2O -> SiO2 + 4 HOCH2CH3}}} Autres méthodes

Étant très stable, le dioxyde de silicium provient de nombreuses méthodes. Conceptuellement simple, mais de peu de valeur pratique, la combustion du silane donne du dioxyde de silicium. Cette réaction est analogue à la combustion du méthane :

SiH 4 + 2 O 2 ⟶ SiO 2 + 2 H 2 O {displaystyle {ce {SiH4 + 2 O2 -> SiO2 + 2 H2O}}}

Cependant, le dépôt chimique en phase vapeur de dioxyde de silicium sur la surface du cristal à partir de silane avait été utilisé en utilisant de l’azote comme gaz porteur à 200–500 ° C. ^[47]

Réactions chimiques

La silice est convertie en silicium par réduction avec du carbone.

Le fluor réagit avec le dioxyde de silicium pour former SiF ₄ et O ₂ tandis que les autres gaz halogènes (Cl ₂ , Br ₂ , I ₂ ) sont essentiellement non réactifs. ^[11]

La plupart des formes de dioxyde de silicium (à l’exception de la stishovite , qui ne réagit pas de manière significative ^[48] ) sont attaquées par l’acide fluorhydrique (HF) pour produire de l’acide hexafluorosilicique : ^[8]

SiO 2 + 6 HF ⟶ H 2 SiF 6 + 2 H 2 O {displaystyle {ce {SiO2 + 6 HF -> H2SiF6 + 2 H2O}}}

Le HF est utilisé pour éliminer ou modeler le dioxyde de silicium dans l’industrie des semi-conducteurs.

Dans des conditions normales, le silicium ne réagit pas avec la plupart des acides mais est dissous par l’acide fluorhydrique.

Si ( s ) + 6 HF ( aq ) ⟶ [ SiF 6 ] 2 − ( aq ) + 2 H + ( aq ) + 2 H 2 ( g ) {displaystyle {ce {Si(s) + 6HF(aq) -> [SiF6]^{2-}(aq) + 2H+(aq) + 2H2(g)}}}

Le silicium est attaqué par des bases telles que l’hydroxyde de sodium aqueux pour donner des silicates.

Si ( s ) + 4 NaOH ( aq ) ⟶ [ SiO 4 ] 4 − ( aq ) + 4 Na + ( aq ) + 2 H 2 ( g ) {displaystyle {ce {Si(s) + 4NaOH(aq) -> [SiO4]^{4-}(aq) + 4Na+(aq) + 2H2(g)}}}

Le dioxyde de silicium agit comme un acide Lux-Flood , pouvant réagir avec des bases dans certaines conditions. Comme elle ne contient pas d’hydrogène, la silice non hydratée ne peut pas agir directement comme un acide de Brønsted-Lowry . Alors que le dioxyde de silicium n’est que peu soluble dans l’eau à pH faible ou neutre (typiquement, 2 × 10 ^-4 M pour le quartz jusqu’à 10 ^-3 M pour la calcédoine cryptocristalline ), les bases fortes réagissent avec le verre et le dissolvent facilement. Par conséquent, les bases fortes doivent être stockées dans des bouteilles en plastique pour éviter de coincer le bouchon de la bouteille, pour préserver l’intégrité du récipient et pour éviter une contamination indésirable par des anions silicate. ^[49]

Le dioxyde de silicium se dissout dans un alcali concentré chaud ou un hydroxyde fondu, comme décrit dans cette équation idéalisée : ^[11]

SiO 2 + 2 NaOH ⟶ Na 2 SiO 3 + H 2 O {displaystyle {ce {SiO2 + 2 NaOH -> Na2SiO3 + H2O}}}

Le dioxyde de silicium neutralisera les oxydes métalliques basiques (par exemple l’oxyde de sodium , l’oxyde de potassium , l’oxyde de plomb (II) , l’oxyde de zinc ou des mélanges d’oxydes, formant des silicates et des verres lorsque les liaisons Si-O-Si dans la silice sont rompues successivement). ^[8] Par exemple, la réaction de l’oxyde de sodium et du SiO ₂ peut produire de l’ orthosilicate de sodium, du silicate de sodium et des verres, en fonction des proportions de réactifs : ^[11]

2 Na 2 O + SiO 2 ⟶ Na 4 SiO 4 ; {displaystyle {ce {2 Na2O + SiO2 -> Na4SiO4 ;}}} Na 2 O + SiO 2 ⟶ Na 2 SiO 3 ; {displaystyle {ce {Na2O + SiO2 -> Na2SiO3 ;}}} ( 0.25 − 0.8 ) {displaystyle (0.25-0.8)} Na 2 O + SiO 2 ⟶ glass {displaystyle {ce {Na2O + SiO2 -> verre}}} .

Des exemples de tels verres ont une importance commerciale, par exemple le verre sodocalcique , le verre borosilicaté , le verre au plomb . Dans ces verres, la silice est appelée formateur de réseau ou formateur de réseau. ^[8] La réaction est également utilisée dans les hauts fourneaux pour éliminer les impuretés de sable dans le minerai par neutralisation avec de l’oxyde de calcium , formant des scories de silicate de calcium .

Faisceau de fibres optiques composé de silice de haute pureté

Le dioxyde de silicium réagit au reflux chauffé sous diazote avec de l’éthylène glycol et une base de métal alcalin pour produire des silicates pentacoordonnés hautement réactifs qui donnent accès à une grande variété de nouveaux composés de silicium. ^[50] Les silicates sont essentiellement insolubles dans tout solvant polaire à l’ exception du méthanol .

Le dioxyde de silicium réagit avec le silicium élémentaire à haute température pour produire SiO : ^[8]

SiO 2 + Si ⟶ 2 SiO {displaystyle {ce {SiO2 + Si -> 2 SiO}}}

Solubilité dans l’eau

La solubilité du dioxyde de silicium dans l’eau dépend fortement de sa forme cristalline et est trois à quatre fois plus élevée pour la silice ^{[ clarification nécessaire ]} que pour le quartz ; en fonction de la température, elle culmine autour de 340 °C. ^[51] Cette propriété est utilisée pour faire croître des monocristaux de quartz dans un processus hydrothermique où le quartz naturel est dissous dans de l’eau surchauffée dans un récipient sous pression qui est plus frais au sommet. Des cristaux de 0,5 à 1 kg peuvent être cultivés pendant 1 à 2 mois. ^[8] Ces cristaux sont une source de quartz très pur pour une utilisation dans des applications électroniques. ^[11]

Effets sur la santé

Sable de quartz (silice) comme principale matière première pour la production commerciale de verre

La silice ingérée par voie orale est essentiellement non toxique, avec une DL ₅₀ de 5000 mg/kg (5 g/kg). ^[18] Une étude de 2008 suivant des sujets pendant 15 ans a révélé que des niveaux plus élevés de silice dans l’eau semblaient diminuer le risque de démence . Une augmentation de 10 mg/jour de silice dans l’eau potable était associée à une diminution du risque de démence de 11 %. ^[52]

L’inhalation de poussière de silice cristalline finement divisée peut entraîner une silicose , une bronchite ou un cancer du poumon , car la poussière se loge dans les poumons et irrite continuellement les tissus, réduisant ainsi les capacités pulmonaires. ^[53] Lorsque de fines particules de silice sont inhalées en quantité suffisante (par exemple par une exposition professionnelle), cela augmente le risque de maladies auto-immunes systémiques telles que le lupus ^[54] et la polyarthrite rhumatoïde par rapport aux taux attendus dans la population générale. ^[55]

Risque professionnel

La silice est un risque professionnel pour les personnes qui font du sablage ou qui travaillent avec des produits contenant de la silice cristalline en poudre. La silice Amorphe, telle que la silice fumée, peut causer des lésions pulmonaires irréversibles dans certains cas, mais n’est pas associée au développement de la silicose. Les enfants, les asthmatiques de tout âge, les personnes allergiques et les personnes âgées (qui ont toutes une capacité pulmonaire réduite ) peuvent être affectés en moins de temps. ^[56]

La silice cristalline est un risque professionnel pour ceux qui travaillent avec des comptoirs en pierre , car le processus de découpe et d’installation des comptoirs crée de grandes quantités de silice en suspension dans l’air. ^[57] La ​​silice cristalline utilisée dans la fracturation hydraulique présente un danger pour la santé des travailleurs. ^[24]

Physiopathologie

Dans le corps, les particules de silice cristalline ne se dissolvent pas sur des périodes cliniquement pertinentes. Les cristaux de silice à l’intérieur des poumons peuvent activer l’ inflammasome NLRP3 à l’ intérieur des macrophages et des cellules dendritiques et entraîner ainsi la production d’ interleukine , une cytokine hautement pro-inflammatoire du système immunitaire. ^{[58] [59] [60]}

Régulation

Les réglementations restreignant l’exposition à la silice « eu égard au risque de silicose » précisent qu’elles ne concernent que la silice, qui est à la fois cristalline et poussiéreuse. ^{[61] [62] [63] [64] [65] [66]}

En 2013, l’ Occupational Safety and Health Administration des États-Unis a réduit la limite d’exposition à 50 μg /m ³ d’air. Avant 2013, elle autorisait 100 μg/m ³ et chez les ouvriers du bâtiment même 250 μg/m ³ . ^[24] En 2013, l’OSHA a également exigé une “achèvement écologique” des puits fracturés pour réduire l’exposition à la silice cristalline en plus de restreindre la limite d’exposition. ^[24]

Formes cristallines

SiO ₂ , plus que presque n’importe quel matériau, existe sous de nombreuses formes cristallines. Ces formes sont appelées polymorphes .

Formes cristallines de SiO ₂ ^[8]

Formulaire	Symétrie cristalline Symbole Pearson , groupe No.	ρ g/cm 3	Remarques	Structure
α-quartz	rhomboédrique (trigonal) hP9, P3 1 21 No.152 [67]	2.648	Chaînes hélicoïdales rendant les monocristaux individuels optiquement actifs ; Le quartz α se convertit en quartz β à 846 K
β-quartz	hexagonale hP18, P6 2 22, n° 180 [68]	2.533	Étroitement apparenté au quartz α (avec un angle Si-O-Si de 155°) et optiquement actif ; Le β-quartz se convertit en β-tridymite à 1140 K
α-tridymite	orthorhombique oS24, C222 1 , No.20 [69]	2.265	Forme métastable sous pression normale
β-tridymite	hexagonale hP12, P6 3 /mmc, n° 194 [69]	Étroitement lié à l’α-tridymite; La β-tridymite se convertit en β-cristobalite à 2010 K
α-cristobalite	tétragonal tP12, P4 1 2 1 2, n° 92 [70]	2.334	Forme métastable sous pression normale
β-cristobalite	cubique cF104, Fd 3 m, No.227 [71]	Étroitement lié à l’α-cristobalite; fond à 1978 K
kéatite	tétragonal tP36, P4 1 2 1 2, n° 92 [72]	3.011	Si 5 O 10 , Si 4 O 8 , Si 8 O 16 cycles; synthétisé à partir de silice vitreuse et d’alcali à 600–900 K et 40–400 MPa
moganite	monoclinique mS46, C2/c, n°15 [73]	Anneaux Si 4 O 8 et Si 6 O 12
coésite	monoclinique mS48, C2/c, n°15 [74]	2.911	les cycles Si 4 O 8 et Si 8 O 16 ; 900 K et 3–3,5 GPa
stishovite	tétragonal tP6, P4 2 /mnm, n°136 [75]	4.287	L’un des polymorphes de silice les plus denses (avec la seifertite); de type rutile avec Si coordonné 6 fois ; 7,5 à 8,5 GPa
seifertite	orthorhombique oP, Pbcn [76]	4.294	L’un des polymorphes de silice les plus denses (avec la stishovite); est produit à des pressions supérieures à 40 GPa. [77]
mélanophlogite	cubique (cP*, P4 2 32, No.208) [7] ou tétragonal (P4 2 /nbc) [78]	2.04	des cycles Si 5 O 10 , Si 6 O 12 ; minéral toujours présent avec des hydrocarbures dans les espaces interstitiels – un clathrasil ( clathrate de silice ) [79]
silice W fibreuse [11]	orthorhombique oI12, Ibam, n°72 [80]	1,97	Comme SiS 2 constitué de chaînes de partage des bords, fond à ~ 1700 K
Silice 2D [81]	hexagonal	Structure bicouche en forme de feuille

Sécurité

L’inhalation de silice cristalline finement divisée peut entraîner une grave inflammation du tissu pulmonaire , une silicose , une bronchite , un cancer du poumon et des maladies auto-immunes systémiques , telles que le lupus et la polyarthrite rhumatoïde . L’inhalation de dioxyde de silicium Amorphe , à fortes doses, entraîne une inflammation non permanente à court terme, où tous les effets guérissent. ^[82]

Autres noms

Cette liste étendue énumère les synonymes de dioxyde de silicium ; toutes ces valeurs proviennent d’une source unique ; les valeurs dans la source ont été présentées en majuscules. ^[83]

• CAS 112945-52-5
• Acitcel
• Aérosil
• Poussière de silice Amorphe
• Aquafil
• CAB-O-GRIP II
• CAB-O-SIL
• CAB-O-SPERSE
• Catalogue
• Silice colloïdale
• Dioxyde de silicium colloïdal
• Dicalite
• Insecticide DRI-DIE 67
• FLO-GARD
• Farine fossile
• Silice pyrogénée
• Dioxyde de silicium fumé
• HI-SEL
• LO-VEL
• Ludox
• Nalcoag
• Nyacol
• Santocel
• Silice
• Aérogel de silice
• Silice, Amorphe
• Anhydride silicique
• Silikill
• Silice synthétique Amorphe
• Vulkasil

Voir également

• Silice mésoporeuse
• Acide orthosilicique
• Carbure de silicium

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Liens externes

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