Le silicium et ses caractéristiques

Silicium est un élément chimique avec un symbole chimique SI et un nombre atomique. Il s'agit d'un solide cristallin dur et cassant avec un lustre métallique gris bleu et est un métalloïde tétravalent et semi-conducteur.Il est un membre du groupe 14 sur le tableau périodique: le carbone est au-dessus il; Le germanium, l'étain, le plomb et le praseodymium sont en dessous. Il est relativement inactif.En raison de sa forte affinité chimique pour l'oxygène, ce n'est qu'en 1823 que Jöns Jakob Berzelius a d'abord été en mesure de le préparer et de le caractériser sous forme pure.Ces oxydes forment une famille d'anions appelés silicates. Son point de fusion et son point d'ébullition sont respectivement de 1414 ° C et 3265 ° C, se classant deuxième parmi tous les métalloïdes et non-métaux, deuxième seulement après bore.Le silicium est le huitième élément le plus courant de l'univers par la masse, mais se produit rarement comme un élément pur dans la croûte terrestre. Il est largement distribué dans l'espace dans la poussière cosmique, les astéroïdes et les planètes sous diverses formes de silice (dioxyde de silicium) ou de silicates. Plus de 90% de la croûte terrestre est composée de minéraux de silicate, faisant du silicium le deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre (environ 28% en masse), après l'oxygène.

La plupart du silicium est utilisé commercialement sans isolement, souvent avec un traitement minimal du minéral naturel. Les usages incluent la construction industrielle en utilisant de l'argile, du sable de silice et des pierres. Le béton pour les trottoirs, les fondations et les routes. -Les céramiques de longueur. Silicon est la base du silicone polymère synthétique largement utilisé.

La fin du 20e siècle au début du 21e siècle est connue sous le nom d'âge du silicium (également connu sous le nom d'âge numérique ou d'ère de l'information) en raison de l'énorme impact de l'élément silicium sur l'économie mondiale moderne. La petite fraction de très Le silicium élémentaire de haute pureté (<10% [citation nécessaire]) utilisé dans l'électronique semi-conducteur est essentiel aux transistors et aux puces de circuit intégrées utilisées dans la plupart des technologies modernes telles que les smartphones et autres ordinateurs.En 2019, 32,4% du marché semi-conducteur a été utilisé Dans les équipements de réseautage et de communication, et l'industrie des semi-conducteurs devrait atteindre 726,73 milliards de dollars d'ici 2027.Le silicium est un élément essentiel de la biologie. La plupart des animaux n'ont besoin que de traces, mais certaines éponges marines et microbes, tels que les diatomées et les radiolaires, sécrètent des structures squelettiques en silice. La silice est déposée dans de nombreux tissus végétaux.

Caractéristiques

Physique et atomique:

Un atome de silicium compte quatorze électrons. À l'état fondamental, ils sont disposés dans la configuration électronique [NE] 3S23P2. De celles-ci, quatre sont des électrons de valence, occupant l'orbital 3S et deux orbitales 3p.Les autres membres de son groupe, le carbone plus léger et le lourde germanium, l'étain et le plomb, il a le même nombre d'électrons de valence que les orbitales de valence: ainsi, il peut compléter son octet et atteindre une inertie stable par la configuration de l'argon de gaz forme des orbitales hybrides SP3, formant un tétraédrique six.4 dérivés dans lesquels l'atome central de silicium partage une paire d'électrons avec chacun des quatre atomes auxquels il est lié. Les quatre premières énergies d'ionisation du silicium sont 786,3, 1576,5, 3228,3 et 4354,4 kJ / mol; Ces nombres sont suffisamment élevés pour exclure la possibilité d'une chimie cationique simple de l'élément. En suivant la tendance périodique, son rayon covalent unique est à 117h6, ce qui se situe entre celui du carbone (77,2 pm) et du germanium (122.3).

Électrique

À la température et à la pression standard, le silicium est un semi-conducteur brillant avec un éclat métallique gris bleu; En tant que semi-conducteur typique, sa résistivité diminue avec l'augmentation de la température. entre les bandes de valence et de conduction et se trouve l'énergie à laquelle un état est susceptible d'être occupé par des électrons. Par conséquent, le silicium pur est effectivement un isolant à température ambiante. Un électron supplémentaire par dopant, qui peut ensuite être excité thermiquement ou photolytiquement dans la bande de conduction, formant un semi-conducteur de type N. De même, le dopage du silicium avec des éléments du groupe 13 tels que le bore, l'aluminium ou le gallium conduit à l'introduction de niveaux d'accepteur qui piégeaient les électrons qui pourraient être excités de la bande de valence remplie, formant un semi-conducteur de type p. -La silicium de type crée une jonction P-N avec un niveau de Fermi commun; Les électrons s'écoulent de n à p, tandis que les trous circulent de p à n, créant une chute de tension. Ainsi, cette jonction P-N agit comme une diode et rectifie le courant alternatif, ce qui facilite la circulation du courant d'une manière plutôt que l'autre. Les régions.Biasing l'émetteur par une petite tension avant et le collecteur par une grande tension inverse permet au transistor d'agir comme un amplificateur de triode.

Structure en cristal

Dans des conditions standard, le silicium cristallise dans les structures covalentes géantes, en particulier dans le réseau cubique diamant (groupe spatial 227). Par conséquent, il a un point de fusion élevé de 1414 ° C car beaucoup d'énergie est nécessaire pour briser les fortes liaisons covalentes et faire fondre le solide. Après le silicium de fusion, le réseau de liaisons tétraédriques à longue portée est cassée et les vides du réseau sont remplis, similaires à la glace d'eau lorsque les liaisons hydrogène sont brisées pendant la fusion. Finalement, la formation d'un allotrope hexagonal à clôture étroite d'environ 40 GPa, appelée Si-VII (la variante standard est Si-i). (Space Group 206), peut être produit à haute pression et rester métastable à basse pression. Ces propriétés ont été étudiées en détail.

Le silicium bouillonne à 3265 ° C: Bien que élevé, il est toujours inférieur à la température à laquelle son carbone congendrier plus léger sublimes (3642 ° C), et la chaleur de vaporisation du silicium est également inférieure à celle du carbone, qui est liée à la Le rapport des liaisons SI - SI à C.La liaison C est faible.Des couches de silicium en forme de graphène peuvent également être construites.

Isotopes

Le silicium naturel se compose de trois isotopes stables, 28SI (92,23%), 29SI (4,67%) et 30SI (3,10%). Parmi ceux-ci, seuls 29SI peuvent être utilisés pour la spectroscopie RMN et EPR, car c'est la seule substance avec un nucléaire RMN et EPR Spin (i = 1/2). Tous trois sont produits par le processus de combustion d'oxygène dans les supernovae de type IA [49] [50], où 28Si est produit dans le cadre du processus alpha et est donc le plus abondant.28Si fusible avec alpha Particules dans les étoiles par réarrangement de photodécay, un processus connu sous le nom de brûlage du silicium; Il s'agit de la dernière étape de la nucléosynthèse avant que l'étoile ne s'effondre rapidement et explose violemment dans une supernova de type II.

Vingt radio-isotopes ont été caractérisés, les deux les plus stables étant 32SI avec une demi-vie d'environ 150 ans et 31si avec une demi-vie de 2,62 heures. Tous les radio-isotopes restants ont une demi-vie de moins de sept secondes, et la plupart ont la moitié Des vies de moins d'un dixième de seconde. Silicon a un isomère nucléaire connu, 34MSI, avec une demi-vie inférieure à 210 NS.32SI subit une décomposition bêta à faible énergie à 32p, puis se stabilise à 32S. 31SI peut être produit par l'activation des neutrons du silicium naturel et peut donc être utilisé pour l'analyse quantitative; Il peut être facilement détecté par sa décroissance bêta caractéristique 31P stable, où les électrons émis transportent des énergies jusqu'à 1,48 MeV.

Les isotopes connues de silicium ont des masses allant de 22 à 44. Le mode de désintégration le plus courant pour les isotopes avec des masses inférieures aux trois isotopes stables est la décroissance bêta inversée, avec la formation prédominante de l'isotope en aluminium (13 protons) comme produit de désintégration. Le mode de désintégration le plus courant pour les isotopes plus lourds instables est la décroissance bêta, avec la formation prédominante de l'isotope de phosphore (15 protons) comme produit de désintégration.Le silicium peut entrer dans l'océan par les eaux souterraines et le transport fluvial. L'apport des eaux souterraines en vrac a une composition isotopique différente de l'apport fluvial en silicium. Les changements d'isotope dans les eaux souterraines et le transport fluvial entraînent des changements dans les valeurs de 30si dans les océans. Dans les valeurs des isotopes en eau profonde dans divers bassins océaniques dans le monde. Entre l'océan Atlantique et l'océan Pacifique, il existe un gradient de 30si en eau profonde supérieure à 0,3 ‰ .30SI est le plus souvent associé à la productivité.