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Contenu de la matière: Chapitre 1. Bases théoriques (2 semaines) 1. Bases therm

Contenu de la matière: Chapitre 1. Bases théoriques (2 semaines) 1. Bases thermodynamiques : 2. Le potentiel chimique 3. L’équilibre chimique et le produit de solubilité 4. Les diagrammes de phases 5. Sous - saturation et dissolution 6. Sursaturation et précipitation (nucléation - croissance) 7. Mûrissement d’Oswald Chapitre 2. Elément silicium (4Semaines) 1 Présentation, Origine, Abondance 2 Préparation du Silicium (élémentaire au laboratoire, production industrielle) 3 Propriétés physico-chimiques, 4 Propriétés cristallographiques (Micro et nanostructures) 5 Corps simples à base de Si 6 Corps composés du Si (Silice, Silanes, Siliciures métalliques, Silicones) Chapitre 3. Les silicates (4Semaines) 1 Aluminosilicates 2 Synthèses et transformations des silicates * Voie sèche * Action de l’eau 2 Structures cristallines des silicates Tectosilicate, Phyllosilicate, Inosilicate (polymère en chaîne simple ou double) , Cyclosilicate (polymère en cycle), Sorosilicate (dimère), Nésosilicate (monomère) Chapitre 4. La silice (5 Semaines) 1 Physico-chimie * Transformations polymorphiques * Fusion, dévitrification, Vaporisation * Réactions chimiques 2 Préparation artificielle du SiO2 3 Différentes formes de silice (Quatrz, Tridymite, Cristoballite, Autres formes) 4 Zones de stabilités des différentes variétés de silice 5 Utilisations Mode d’évaluation:Contrôle continu: 40% ; Examen: 60 %. Introduction Actuellement les technologies de circuits intégrés utilisent encore le silicium comme matériau semi-conducteur de base. Le silicium étant un matériau semi-conducteur largeur de bande interdite moyenne s'adapte bien aux contraintes imposées par les applications à des températures normales, soit de 0 à 100°C. A de plus hautes températures, la performance des technologies sur le silicium se dégrade progressivement. Le silicium fut découvert en 1824 par J.J. Berzelius à Stockholm, en Suède. C'est, après le carbone, l'élément le plus abondant de la terre, la répartition étant de 277.000 ppm. On le trouve généralement sous forme de silicate dans de nombreuses roches, argiles et terres. Le silicium est obtenu en réduisant la silice (le sable, SiO2) par le carbone. Une fusion en zone subséquente donne un élément plus pur pour des applications nécessitant un silicium de haute pureté (par exemple les semi-conducteurs) Le silicium possède 4 électrons sur leur couche périphérique car ils appartiennent à la 4éme colonne de la classification périodique des éléments. Il est possible de les produire avec un haut degré de pureté (moins de 1 atome étranger pour 1011 atomes de semi-conducteur): on parle alors de S.C. intrinsèque . Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14. Chapitre 1. Bases théoriques 1)Bases thermodynamiques : Introduction La physique et la chimie sont par nature des sciences expérimentales. La réalisation d’expériences et leur analyse sont donc essentielles. C’est le plus souvent par l’expérience que les sciences expérimentales progressent, même si l’élaboration de théories et de modèles est aussi une étape très importante. Ces trois concepts étant essentiels pour comprendre ce cours, nous commencerons ici par les définir en prenant un exemple emprunté à la thermodynamique. a-Echelle Thermométrique gaz parfait gaz réel Coefficient thermoélastique énergie interne ; L’énergie interne d’un système thermodynamique est une fonction d'état extensive, associée à ce système. Elle est égale à la somme de l’énergie cinétique de chaque entité élémentaire de masse non nulle et de toutes les énergies potentielles d’interaction des entités élémentaires de ce système A l'échelle macroscopique L’énergie interne est donc une composante de l’énergie totale d'un système, définie par la relation suivante : table thermodynamique 2-Le potentiel chimique 8. L’équilibre chimique et le produit de solubilité Nom : Silicium Symbole : Si Numéro atomique : 14 Masse molaire atomique (g/mol) : Approchée 28 plus précise 28,0855 Autre nom : Chemical Abstract Service : 7440-21-3 Etat du corps pur à 20°C : Solide Nombre de masse : 28 Nombre de protons : 14 Nombre d'électrons : 14 Nombre de neutrons : 14 Point de fusion (K) : 1683 Point d'ébullition (K) : 2628 Masse volumique (kg/m³ CNTP) : Valeur (kg/m³) 2329 Température (K) 293 Type : Métalloïde Groupe : Groupe principal, Groupe IV, Colonne 14 Groupe dans le Tableau périodique : Groupe p Type de minerais métallique : Type 3 Classification géochimique : Chalcophile Système cristallin : DIA Type d'oxyde : Neutre Découvreur(s) de l'élément : J,J,Berzelius Année de la découverte : 1823 Lieu de la découverte : Stockholm, Suède Intérêt ou risque biologique : Elément essentiel pour de nombreuses espèces Elément Silicium Si (Z=14) Un élément, très répandu et riche en potentialités diverses Présentation en quelques phrases Le silicium a été découvert par Jöns Jacob Berzelius (Suède) en 1824. Étymologie du nom: vient du latin silicis signifiant silex. Le silicium, sous sa forme amorphe est une poudre brune; sous forme cristalline il est gris d'apparence métallique. Lorsqu'il est solide, il ne réagit pas avec l'oxygène, l'eau et la plupart des acides. La poussière de silice est modérément toxique et très irritante. Il est purement électropositif dans son comportement chimique. Le silicium présente les degrés d’oxydation +I, +II, +III et +IV Structure électronique, configuration de l’état fondamental. La configuration électronique de l’état fondamental est (1s2)(2s2)(2p6)(3s2)(3p2) Place dans la classification périodique. Le silicium appartient au bloc des éléments p, colonne 14 et à la troisième période. Abondance dans la nature Le silicium est l'élément le plus abondant de la croûte terrestre, 26 en masse, après l'oxygène. Principaux composés Les composés qui charpentent la terre (roches, sables, argiles et sols) sont constitués de silicates, combinaisons de silicium et d’oxygène avec de petites quantités d’aluminium, de fer, de calcium et d’autres éléments. Le silicium est le principal élément du quartz. Sous forme de dioxyde de silicium il est utilisé dans la fabrication du verre. Le carbure de silicium aussi connu sous le nom de carborundum est l'une des matières les plus dures; on l'utilise pur pour le polissage On a aussi les silanes et le silanol. Importance industrielle et économique Pour le silicium, comme pour le carbone, nous avons à faire à un élément, très répandu et riche en potentialités diverses. Le silicium a la capacité de former des cristaux semi-conducteurs ce qui a permis la fabrication des transistors, des « puces » et des cellules photovoltaïques entre autres. Les « puces » d’ordinateurs ont d’abord été faites en silice commune (dioxyde de silicium) et sont à présent des cristaux uniques et presque parfaits de silicium hyper pur, portant des schémas gravés au-delà de la résolution de la lumière visible. La réalisation de tout cela est remarquable : Le jouet ordinaire de votre enfant contient une technicité informatique supérieure à celle des fusées lunaires « Apollo ». Des panneaux solaires de plus en plus performants et de moins en moins chers sont fabriqués : l'énergie solaire a de beaux jours devant elle grâce aux nouvelles technologies du silicium. L'énergie photovoltaïque (transformation de l'énergie solaire en électricité) est porteuse de grands espoirs. Mais même si des particuliers équipent leurs maisons en panneaux solaires, son coût freine encore sa généralisation. Cas emblématique pour les physiciens du Laboratoire PHASE (Physique et applications des semi-conducteurs), qui décryptent les propriétés physico-chimiques du silicium et s'appuient sur les nanotechnologies pour créer la cellule solaire de troisième génération. Préparation du silicium L'obtention de silicium elle est fabriquée par différents procédés selon le but de l'élément. La méthode commerciale la plus importante est la réduction de la silice avec du carbone dans un four électrique. La préparation de silicium très pur (99,7%) est obtenu par transformation de tétrachlorure de silicium impur (SiCl4), la purification volatile, celle-ci par distillation suivie d'une réduction avec du zinc. Silicone pour utilisation en électronique est obtenue par purification de zone pour éliminer le bore, l'aluminium, le phosphore, le gallium, l'arsenic, l'indium et l'antimoine, et ensuite obtenir un monocristal par le procédé de Czochralski, qui consiste à immerger un cristal unique de petites dimensions dans un bain de silicium liquide chauffé à la température de fusion et retiré lentement pour provoquer la croissance du monocristal. 3 - Propriétés physico-chimiques du silicium 3.1 Propriétés élémentaires du silicium Dans la classification périodique de Mendeleev, le silicium appartient au groupe VIIB, tout comme le germanium, l'étain et le plomb, mais surtout comme le carbone. Son numéro atomique est 14 et la masse atomique de 28Si l'isotope le plus répandu est 27.98. B 10.82 5 C 12.01 6 N 14.08 7 O 16.00 8 Al 26.87 13 Si 28.09 14 P 30.97 15 S 32.07 16 Ga 69.72 31 Ge 72.60 32 As 74.91 33 Se 78.96 34 Deux isotopes présents en quantités significatives dans la nature sont stables : 29Si et 30Si. Huit autres sont artificiciels : 24Si, 25Si, 26Si, 27Si (émetteurs beta+), 31Si, 32Si, 33Si et 34Si (beta -). Leurs demi-vies sont très brèves pour six d’entre eux (de l’ordre de la seconde ou moins). Seuls le 32Si ( 0.21 MeV, pour une période de 170 années) et le 31Si (1.49 MeV, mais seulement 2,62 heures de demi-vie) sont utilisables pour l’exploration métabolique. Assez curieusement, le 32Si, pourtant pratique, n'a pratiquement jamais été utilisé, il est vrai que son obtention par spallation n'est pas à la portée de tout le monde et un seul fournisseur est répertorié (Los Alamos National Laboratory aux États-Unis). Isotope Abondance uploads/Science et Technologie/ cours-de-chimie-phusique-de-cilicium-2.pdf