Orthosilicate de magnésium

L'orthosilicate de magnésium est le composé chimique de formule Mg₂SiO₄. C'est le sel de magnésium de l'acide orthosilicique.

Orthosilicate de magnésium
Strucure cristalline de l'orthosilicate de magnésium, à basse pression. __ Mg2+     __ Si4+     __ O2−
Identification
No CAS	10034-94-3
No 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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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].