Orthosilicate de magnésium

Orthosilicate de magnésium
Strucure cristalline de l'orthosilicate de magnésium, à basse pression. __ Mg^2+     __ Si^4+     __ O^2−
Identification
N^o CAS	10034-94-3
N^o ECHA	100.030.089
PubChem	66225
SMILES	[O-][Si]([O-])([O-])[O-].[Mg+2].[Mg+2] PubChem, vue 3D
InChI	InChI : vue 3D InChI=1S/2Mg.O4Si/c;;1-5(2,3)4/q2*+2;-4 InChIKey : HCWCAKKEBCNQJP-UHFFFAOYSA-N
Apparence	solide blanc[1]
Propriétés chimiques
Formule	Mg2O4SiMg2SiO4
Masse molaire[a]	140,693 1 ± 0,002 7 g/mol Mg 34,55 %, O 45,49 %, Si 19,96 %,
Propriétés physiques
T° fusion	1 898 °C[1]
Solubilité	pratiquement insoluble dans l'eau[2]
Masse volumique	3,22 g·cm^-3[1]
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.
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L'orthosilicate de magnésium est le composé chimique de formule Mg₂SiO₄. C'est le sel de magnésium de l'acide orthosilicique.

Propriétés physiques

Solide

On connaît trois polymorphes de l'orthosilicate de magnésium, qui tous existent dans la nature (minéraux), sur Terre et dans les météorites :

• la forstérite (ou α-Mg₂SiO₄), le polymorphe de basse pression, orthorhombique ;
• la wadsleyite (ou β-Mg₂SiO₄), le polymorphe de haute pression, également orthorhombique ;
• la ringwoodite (ou γ-Mg₂SiO₄), le polymorphe de très haute pression, cubique.

Équilibres solide-liquide

À pression ordinaire, l'orthosilicate de magnésium solide (forstérite) fond à 1 898 ± 11 °C^[3],[b].

En 1981, une étude expérimentale conclut que la fusion est congruente jusqu'à au moins 12,7 GPa^[3]. Si la fusion reste congruente à plus haute pression, le point triple α-β-liq (forstérite-wadsleyite-liquide) est estimé par extrapolation à 2 600 °C, 20 GPa^[3].

En 1993, une nouvelle étude du point de fusion de Mg₂SiO₄^[5] conclut que la fusion cesse d'être congruente à 10,1 GPa (2 250 °C), et qu'à plus haute pression la réaction de fusion change en deux points invariants, à 15,6 GPa (2 310 °C) et 16,7 GPa (2 315 °C). Les réactions de fusion sont ainsi :

• P < 10,1 GPa : forstérite → liquide ;
• 10,1 < P < 15,6 GPa : forstérite → périclase (MgO) + liquide ;
• 15,6 < P < 16,7 GPa : forstérite → AnhB (Mg₁₄Si₅O₂₄) + liquide ;
• P > 16,7 GPa : wadsleyite → AnhB + liquide.

Jusqu'à 16,5 GPa, la courbe de fusion expérimentale est bien représentée par une équation de Simon :

${\displaystyle P=2{,}44\left[\left({\frac {T}{2171}}\right)^{11{,}4}-1\right]}$

où P est exprimé en gigapascals (GPa) et T en kelvins (K)^[5].

Équilibre liquide-vapeur

Il n'existe pas encore de données expérimentales ni de modèles théoriques concernant les propriétés de Mg₂SiO₄ à basse pression et haute température. En 2020, une série de calculs ab initio de dynamique moléculaire (DFTMD), basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), ont couvert les états liquide et vapeur. Ils montrent^[6] que :

• la vaporisation se fait de façon incongruente, et la composition chimique du liquide et de la vapeur coexistants varie en fonction de la température et de la densité globale (donc de la pression) : la vapeur est enrichie en silice et en oxygène, et appauvrie en magnésium ;
• le point critique liquide-vapeur se situe à T_c = 6 240 ± 200 K, P_c =  1,3 ± 0,2 kbar (130 ± 20 MPa) et ρ_c = 0,52 ± 0,03 g/cm³ (520 ± 30 kg/m³).

Synthèse

On peut préparer de l'orthosilicate de magnésium en faisant fondre à 1 900 °C un mélange stœchiométrique d'oxydes de magnésium et de silicium (deux MgO pour un SiO₂).

Le procédé de Czochralski permet de synthétiser de grands monocristaux de forstérite, jusqu'à 25 mm de diamètre et 60 mm de long^[7].

Notes et références

Notes

1. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
2. Ce point de fusion a été établi pour la première fois en 1914^[4] : 1 890 ± 20 °C, mais 1 895 °C avec la conversion de ces données dans l'échelle internationale de 1948^[3].

Références

1. Dale L. Perry, Handbook of Inorganic Compounds, Second Edition, CRC Press, 2016, 581 p. (ISBN 978-1-4398-1462-8, lire en ligne)
2. William M. Haynes, CRC Handbook of Chemistry and Physics, 94th Edition, CRC Press, 2016, 2668 p. (ISBN 978-1-4665-7115-0, lire en ligne), p. 73
3. (en) Eiji Ohtani et Mineo Kumazawa, « Melting of forsterite Mg₂SiO₄ up to 15 GPa », Physics of the Earth and Planetary Interiors, vol. 27, n^o 1,‎ octobre 1981, p. 32-38 (DOI 10.1016/0031-9201(81)90084-4).
4. (en) Norman Levi Bowen et Olaf Anderson, « The binary system MgO-SiO₂ », American Journal of Science, 4^e série, vol. 37,‎ 1^er juin 1914, p. 487-500.
5. (en) Dean C. Presnall et Michael J. Walte, « Melting of Forsterite, Mg₂SiO₄, From 9.7 to 16.5 GPa », Journal of Geophysical Research, vol. 98, n^o B11,‎ 10 novembre 1993, p. 19777-19783 (DOI 10.1029/93JB01007).
6. (en) Joshua P. Townsend, Gil Shohet et Kyle R. Cochrane, « Liquid‐Vapor Coexistence and Critical Point of Mg₂SiO₄ From Ab Initio Simulations », Geophysical Research Letters, vol. 47, n^o 17,‎ 16 septembre 2020, article n^o e2020GL089599 (DOI 10.1029/2020GL089599).
7. (en) Humihiko Takei et Takaaki Kobayashi, « Growth and Properties of Mg₂SiO₄ Single Crystals », Journal of Crystal Growth, vol. 23,‎ 1974, p. 121-124.