Silicium

Modèle:Élément/Silicium Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.

C'est l'élément le plus abondant sur la Terre après l'oxygène (27,6%). Il n'existe pas à l'état libre mais sous forme de composés : sous forme de dioxyde, la silice (dans le sable, le quartz, la cristobalite, etc . . .) ou de silicates (dans les feldspath, la kaolinite, etc).

Le nom dérive du latin silex, ce qui signifie cailloux ou silex.

Caractéristiques

Les cristaux de silicium sont gris à noirs, en forme d'aiguille ou d'hexaèdres (forme cubique). La phase amorphe est une poudre marron foncée.
Le silicium est un conducteur d'électricité ; mais sa conductivité électrique est très inférieure à celle des métaux. Il est quasi insoluble dans l'eau. Il est attaqué par l'acide fluorhydrique (HF) ou un mélange acide fluorhydrique/acide nitrique (HNO₃) en fonction de la phase. Le silicium présente des reflets métalliques bleutés, mais n'est pas du tout aussi ductile que les métaux.

Il existe trois isotopes naturels du silicium: ²⁸Si (92,18%), ²⁹Si(4,71%) et ³⁰Si(3,12%). Il existe également des isotopes artificiels: ²⁵Si, ²⁶Si, ²⁷Si, ³¹Si, ³²Si.

Découverte

Un des composés du silicium, la silice (dioxyde de silicium), était déjà connu dans l'Antiquité. La silice a été considérée comme élément par les alchimistes puis les chimistes. C'est un composé très abondant dans les minéraux.

Du silicium a été isolé pour la première fois en 1823 par Jöns Jacob Berzelius. Ce n'est qu'en 1854 que Henry Sainte-Claire Deville obtient du silicium cristallin.

Utilisations

Alliages Aluminium-Silicium

La principale utilisation du silicium en tant que corps simple est comme élément d'alliage avec l'aluminium. Les alliages Aluminium-Silicium (AS ou série 40000 suivant NF EN 1780-1) sont utilisés pour l'élaboration de pièces moulées, en particulier pour l'automobile (par exemple jantes en alliage) et l'aéronautique (par exemple éléments de moteurs électriques embarqués). Les alliages Aluminium-Silicium représentent à peu près 55 % de la consommation mondiale de silicium.

Pour plus de détails, voir l'article : alliages d'aluminium pour fonderie.

Silicones

Une autre utilisation importante du silicium est la synthèse des silicones. Cette application représente à peu près 40 % de la consommation de silicium.

Semi-conducteur

Le silicium est un élément de très grande importance de nos jours. Ses propriétés de semi-conducteur ont permis la création de la deuxième génération de transistors, puis les circuits intégrés (les « puces »). C'est aujourd'hui encore l'un des éléments essentiels pour l'électronique, notamment grâce à la capacité technologique actuelle permettant d'obtenir du silicium pur à plus de 99,99999% (tirage Czochralski, zone fondue flottante).

La magie de la lithographie sur silicium : les productions commerciales courantes (2007) de circuit intégré réalisent la prouesse d'une finesse de gravure de 45 nm sur des plaques de 30 cm (12 pouces, la taille d'un disque 33 tours). Ce qui permettrait de graver 600 millions de sillons (soit un disque de 20 millions de minutes, environ 40 ans de musique, ou bien de l'ordre de 20 milliards de chansons au format numérique Ogg Vorbis).

Photovoltaïque

En tant que semi-conducteur, le silicium est aussi l'élément principal utilisé pour la fabrication de cellules solaires photovoltaïques. Celles-ci sont alors montées en panneaux solaires pour la génération d'électricité.

Composants mécaniques

Le silicium présente à l'état pur des caractéristiques mécaniques élevées qui le font utiliser pour la réalisation de petites pièces destinées à certains micromécanismes et même à la fabrication de ressorts spiraux destinés à des montres mécaniques haut de gamme.

Composés

• La silice se trouve dans la nature sous forme compacte (galets, quartz filonien par exemple), ou sous forme de sable plus ou moins fin. On l'obtient aussi industriellement, sous forme pulvérulente. La silice a de nombreux usages.
  • le verre est fabriqué depuis des millénaires en faisant fondre du sable principalement composé de SiO₂ avec du carbonate de calcium CaCO₃ et du carbonate de sodium Na₂CO₃. Le verre peut être amélioré par différents additifs.
  • le sable de silice est un des composants des céramiques.
  • le quartz forme de superbes cristaux, est utilisé comme matériau transparent, plus résistant à la chaleur que le verre (ampoule de lampes halogène). Il est également beaucoup plus difficile à fondre et à travailler.
  • la silice intervient aux côtés du carbone dans la fabrication des pneumatique économes en énergie.
  • la silice très fine est utilisée comme constituant d'adjuvants pour les bétons à haute performance.
• Le ferro-silicium, le silico-calcium, sont utilisés comme éléments d'addition dans l'élaboration de l'acier ou de la fonte.
• Le carbure de silicium possède une structure cristalline analogue à celle du diamant ; sa dureté en est très proche. Il est utilisé comme abrasif ou sous forme céramique dans les outils d'usinage.
• Le silicate de calcium CaSiO₃ est un des composants des ciments.
• Les silicones : ces polymères [(CH₃)₂SiO]_n sont utilisés dans des mastics pour joint, des graisses résistantes à l'eau ou conductrices de la chaleur, les poudres lessivielles ou les shampoings conditionneurs, etc.

Il faut signaler, pour éviter une fréquente erreur de traduction depuis l'anglais, que l'anglais silicon signifie silicium, tandis que silicone correspond bien au silicone. De son côté, "silica" désigne la silice.

Dans la nature

Minéraux

Essentiellement présent sous forme minérale, le silicium est constitutif du sable de silice, résultat de la dégradation de roches comme le granit (composé de feldspath, de mica et de silice (quartz)).

Molécules organiques

Le silicium se trouve dans certaines molécules organiques, comme les silanes — méthylsilanetriols, diméthylsilanediol —, les silatranes.

Au sein du vivant

Les diatomées, présentent dans le plancton, participent au cycle géochimique du silicium dans les mers, car elles extraient la silice pour former leurs membranes externes.

L'organisme humain contient entre 200 mg et 7g de silicium, suivant les sources. Il potentialiserait l'action du Zinc (Zn) et du Cuivre (Cu) et permettrait la fixation du Calcium (Ca). Les céréales et l'eau de boisson (donc la bière, fabriquée à partir d'eau et de céréales) apportent naturellement la quantité suffisante (25 mg par jour) pour satisfaire les besoins (environ 5mg/jour). L'Afssa (Agence Française de Sécurité Sanitaire des Aliments) n'a pas défini d'apports nutritionnels conseillés pour le silicium car ils sont largement couverts par l'alimentation. Par abus, certains parlent de « silice organique ». Il semble que cette dénomination soit plutôt un procédé commercial dans le domaine des médecines parallèles.

L'hypothétique biochimie à base de silicium

À la limite de la science et de la science-fiction, de multiples travaux^{[réf. nécessaire]} visent à mettre en évidence la possibilité d'une toute autre forme de vie, basée non pas sur le carbone, mais sur le silicium. Ceci se base sur le fait que le silicium est tétravalent comme le carbone, et qu'on pourrait envisager par analogie une chimie organique à base de silicium, bien que le silicium n'ait qu'un faible capacité à former des liaisons multiples, puisque l'énergie de dissociation des liaisons π est beaucoup plus faible que celle des liaisons π impliquant le carbone .

La position médiane actuelle semble être négative, le silicium ne participant que peu à des réactions biologiques mais servant plutôt de support (enveloppes, squelettes, gels, ...).

Production industrielle du silicium par électrométallurgie

Le silicium n'existe pas naturellement à l'état libre sur la terre ; mais il est très abondant sous une forme oxydée : silice, silicates.

Pour obtenir du silicium libre (parfois appelé improprement "silicium métal" pour le distinguer du ferrosilicium), il faut donc le réduire ; industriellement, cette réduction s'effectue par électrométallurgie, dans des fours électriques ouverts dont la puissance peut aller jusqu'à environ 30 MW. La réaction globale de principe (oxydo-réduction) est très simple :

SiO₂ + C → Si + CO₂

La réalité est un peu plus complexe ...

Le silicium est introduit sous forme de morceaux de silice (galets, ou morceaux de quartz filonien), en mélange avec des réducteurs tels que le bois, le charbon de bois, la houille, le coke de pétrole. Compte tenu des exigences de pureté des applications finales, la silice doit être relativement pure (faible teneur en oxyde de fer en particulier), et les réducteurs soigneusement choisis (houille lavée par exemple).

Le mélange est déversé dans un creuset de plusieurs mètres de diamètre, où plongent des électrodes cylindriques en carbone (trois le plus souvent) qui apportent la puissance électrique et permettent d'atteindre les très hautes températures dont les réactions recherchées ont besoin (autour de 3000°C dans la région de l'arc électrique, à la pointe des électrodes).

Le silicium obtenu est recueilli dans des "poches", à l'état liquide, grâce à des orifices pratiqués dans le creuset.

Il est ensuite affiné dans ces poches, par injection d'air pour oxyder l'aluminium et le calcium.

Puis il est séparé du "laitier" (oxydes produits au cours des différentes étapes du procédé et entraînés avec le silicium) avant d'être solidifié :

- soit par coulée en lingotières ou sur une surface plane,

- soit par granulation à l'eau (le silicium liquide est alors versé dans de l'eau et les gouttes de silicium se solidifient en petits granules : opération relativement délicate).

Les réactions intermédiaires conduisant à la réduction du silicium produisent aussi une très fine poussière de silice amorphe, qui est entraînée par les gaz chauds (essentiellement air et dioxyde de carbone) émis par le four ; dans les pays développés, ces gaz sont filtrés pour recueillir la poussière de silice amorphe, qui est utilisée comme élément d'addition dans les bétons à haute performance.

Selon les applications, le silicium est utilisé sous forme de morceaux (production des alliages aluminium-silicium) ou sous forme de poudre obtenue par broyage (production des silicones).

Le silicium pour électronique est obtenu à partir du silicium électrométallurgique, mais nécessite une étape chimique (purification réalisée sur des silanes) puis un ensemble de purifications physiques, avant le tirage des monocristaux.

Voir aussi

[1] Silicium-project.com: Le Site Web sur la Technologie, les blagues & la politique