Composés hydrogénés du silicium (silanes)
L'atome de silicium est capable de former des composés de formule générale $SiX_4$ en interagissant avec les halogènes et l'hydrogène, ainsi que de structurer des chaînes de liaisons $Si-Si$.
Les composés hydrogénés forment une série homologue, de manière similaire aux alcanes :
- Le silane ($SiH_4$) est l'analogue structurel du méthane ($CH_4$).
- Le disilane ($Si_2H_6$) représente l'analogue de l'éthane ($C_2H_6$).
Malgré leur similarité structurelle, l'activité chimique des silanes est nettement supérieure à celle des hydrocarbures correspondants. Par exemple, le silane peut s'enflammer spontanément au contact de l'air. De plus, il réagit extrêmement activement avec l'eau, tandis que le méthane n'interagit qu'avec la vapeur d'eau et uniquement dans des conditions très drastiques.
Réaction d'hydrolyse du silane : $SiH_4 + 3H_2O = H_2SiO_3 + 2H_2\uparrow$
Cette réaction est intéressante par ses propriétés d'oxydoréduction. Le processus se déroule selon un mécanisme de dismutation (ou comproportionnation), où l'hydrogène agit simultanément comme oxydant et réducteur :
- Dans la molécule de silane ($SiH_4$), le nombre d'oxydation de l'hydrogène est de -1.
- Dans la molécule d'eau ($H_2O$), le nombre d'oxydation de l'hydrogène est de +1.
- Il en résulte la formation d'hydrogène moléculaire ($H_2$) avec un nombre d'oxydation de 0.
Halogénures de silicium et leur hydrolyse
Les halogénures de silicium démontrent également une forte réactivité. Presque tous ces composés subissent une hydrolyse complète en milieu aqueux. Le seul exception dans cette série est le fluorure de silicium ($SiF_4$), qui se comporte différemment.
Examinons le processus à travers l'exemple de l'interaction du chlorure de silicium avec l'eau : $SiCl_4 + 4H_2O = H_4SiO_4 + 4HCl$
Au cours de cette réaction, la destruction complète de la molécule initiale se produit avec la formation d'acide orthosilicique ($H_4SiO_4$) et le dégagement de l'halogénure d'hydrogène correspondant (dans ce cas, le chlorure d'hydrogène).
Mécanisme de réactivité : Silicium contre Carbone
L'activité chimique des halogénures de silicium dépasse considérablement celle des halogénures de carbone. Par exemple, le tétrachlorométhane ($CCl_4$) est totalement stable face à l'action de l'eau.
La raison de la haute activité du silicium réside dans la structure de sa couche électronique. L'atome de silicium possède des orbitales $3d$ vacantes sur son niveau de valence, ce qui lui permet d'agir comme accepteur de paires d'électrons.
Le mécanisme d'hydrolyse des halogénures de silicium se déroule selon le schéma suivant :
- Addition : La molécule d'eau agit comme un donneur de paire d'électrons (grâce à l'atome d'oxygène) et attaque l'atome de silicium, plaçant les électrons sur son orbitale $d$ vacante.
- Élimination : Une molécule d'halogénure d'hydrogène ($HCl$) se détache du complexe formé.
- Produit intermédiaire : Il se forme une entité dans laquelle l'un des atomes d'halogène est remplacé par un groupe hydroxyle ($OH$).
- Cyclicité : Le processus d'addition de nouvelles molécules d'eau et d'élimination de $HCl$ se répète séquentiellement jusqu'à ce que tous les atomes de chlore soient remplacés (hydrolyse complète).
Pourquoi le carbone ne peut-il pas faire cela ? L'atome de carbone ne possède pas d'orbitales vacantes à son niveau de valence (il n'y a pas de sous-niveau $2d$). Par conséquent, la molécule d'eau ne peut physiquement pas lui transmettre sa paire d'électrons pour initier la réaction. C'est précisément cette incapacité à réaliser le mécanisme d'« addition-élimination » qui explique l'inertie totale du $CCl_4$ vis-à-vis de l'hydrolyse.
En bref : réponses aux questions sur le sujet
Quel acide se forme précisément lors de la réaction du silane avec l'eau ?
Lors de la réaction du silane avec l'eau, il se forme de l'acide silicique. Le processus est décrit par l'équation : $SiH_4 + 3H_2O = H_2SiO_3 + 2H_2\uparrow$. Dans cette réaction de comproportionnation, l'hydrogène agit simultanément comme oxydant et réducteur. Le nombre d'oxydation de l'hydrogène est de -1 dans le silane, de +1 dans l'eau, et de 0 dans le produit gazeux formé. Le silane réagit activement avec l'eau, contrairement au méthane qui n'interagit qu'avec la vapeur d'eau dans des conditions drastiques.
Quels composés organosilicetés sont utilisés en médecine et en pharmacie ?
En médecine, en pharmacie et en odontologie, les composés organosilicetés suivants sont utilisés :
- La siméticone (Disflatyl) est un composé organosiliceté synthétique du groupe des diméthylpolysiloxanes. Elle réduit la tension superficielle des bulles de gaz et est utilisée en cas de flatulence, ainsi que pour la préparation aux examens échographiques et radiologiques de l'intestin.
- Les silanes assurent l'adhésion chimique de la charge inorganique à la matrice organique dans les composites dentaires.
- Les matériaux siliconés à base de composés organosilicetés de haute masse moléculaire sont utilisés dans les instruments dentaires pour le traitement et le polissage de l'émail, de la céramique, des métaux et des restaurations en composites et en amalgame, ainsi que sous forme de membranes et de rouleaux en silicone lors de la vestibuloplastie chirurgicale.
Il est facile de se souvenir de la réaction du silane avec l'eau : l'hydrogène négatif (-1 provenant du silane) rencontre l'hydrogène positif (+1 provenant de l'eau), ils s'annulent mutuellement et s'échappent sous forme de gaz neutre H₂ (0).
Questions des cours et des examens
Pourquoi le tétrachlorométhane ne réagit-il pas avec l'eau, alors que le tétrachlorure de silicium s'hydrolyse ?
L'atome de carbone ne possède pas d'orbitales d vacantes, de sorte que la molécule d'eau ne peut pas s'y lier. Le silicium possède des orbitales 3d vides, qui acceptent la paire d'électrons de l'oxygène de l'eau, déclenchant la réaction.
Quel est le rôle de l'hydrogène dans la réaction d'hydrolyse du silane ?
L'hydrogène participe à une réaction de comproportionnation, agissant simultanément comme oxydant (avec un nombre d'oxydation de +1 dans l'eau) et comme réducteur (avec un nombre d'oxydation de -1 dans le silane).
Tous les halogénures de silicium sont-ils complètement décomposés par l'eau ?
Non, tous les halogénures de silicium subissent une hydrolyse complète à l'exception du fluorure de silicium ($SiF_4$).
À étudier également sur le sujet
- Réactions d'oxydoréduction impliquant des silanes
- Mécanisme d'hydrolyse par étapes des halogénures
- Propriétés et structure des structures présentant des liaisons Si-Si
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