Silicium
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| Généralités | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| Nom, Symbole, Numéro | Silicium, Si, 14 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Série chimique | métalloïde | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Groupe, Période, Bloc | 14, 3, p | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Masse volumique | 2330 kg/m³ | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Dureté Mohs | 6,5 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Couleur | Gris foncé Image:Si,14-thumb.jpg | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Propriétés atomiques | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Masse atomique | 28,0855 u | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Rayon atomique (calc.) | 110 (111) pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Rayon de covalence | 111 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Rayon de van der Waals | 210 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Configuration électronique | [Ne] 3s2 3p2 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Nombre d'électrons par niveau d'énergie | 2, 8, 4 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| États d'oxydation (oxyde) | 4 amphotère | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Structure cristalline | cubique face centrée | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Propriétés physiques | |||||||||||||||||||||||||||||||
| État de la matière | solide diamagnétique | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Température de fusion | 1687 K | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Température de vaporisation | 3173 K | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Volume molaire | 12,06 ×10-6 m³/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Énergie de vaporisation | 384,22 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Énergie de fusion | 50,55 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Pression de vapeur à 1683 K | 4,77 Pa | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Vélocité du son | ND | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Divers | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Électronégativité (Pauling) | 1,90 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Chaleur massique | 700 J/(kg.K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Conductivité électrique | 2,52 10-4S/m | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Conductivité thermique | 148 W/(m.K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 1er potentiel d'ionisation | 786,5 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 2e potentiel d'ionisation | 1577,1 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 3e Potentiel d'ionisation | 3231,6 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 4e potentiel d'ionisation | 4355,5 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 5e potentiel d'ionisation | 16091 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 6e potentiel d'ionisation | 19805 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 7e potentiel d'ionisation | 23780 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 8e potentiel d'ionisation | 29287 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 9e potentiel d'ionisation | 33878 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 10e potentiel d'ionisation | 38726 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Isotopes les plus stables | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire. | |||||||||||||||||||||||||||||||
Le silicium est un élément chimique, 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 silice (dans le sable, le quartz, la cristoballite, etc) ou de silicates (dans les feldspath, la kaolinite, etc).
Le nom dérive du latin silex, ce qui signifie cailloux ou silex.
Sommaire |
Caractéristiques
Les cristaux de silicium sont gris à noirs, en forme d'aiguille ou d'octaèdres (forme cubique). La phase amorphe est une poudre marron foncée.
Le silicium est un faible conducteur d'électricité. Il est quasiment 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.
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
Le silicium était déjà connu dans l'Antiquité sous forme de silice (dioxyde de silicium). Elle a été considérée comme élément par les alchimistes puis les chimistes.
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 sont utilisés pour l'élaboration de pièces moulées, en particulier pour l'automobile (par exemple jantes en alliage). Les alliages Aluminium-Silicium représentent à peu près 55 % de la consommation mondiale de silicium.
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).
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.
La magie de la lithographie sur silicium : les productions commerciales courantes (2004) de circuit intégré réalisent la prouesse d'une finesse de gravure de 90 nm sur des plaques de 30 cm (un 33 tours pour ceux qui ont connu !). Ce qui permettrait de graver 300 millions de sillons (soit un disque de 10 millions de minutes, environ 20 ans de musique, ou bien de l'ordre de 10 milliards de chansons au format numérique Ogg Vorbis).
Composés
- 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 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 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 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. Récemment elle complète le carbone dans la fabrication des pneus économes en énergie.
- le silicate de calcium CaSiO3 est un des composants des ciments.
- 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.
- Une erreur fréquente de traduction de l'anglais où silicon signifie silicium, tandis que silicone correspond bien au silicone.
Dans la nature
Le sable de silice est le résultat de la dégradation de roches comme le granit (composé de feldspath, de mica et de silice (quartz)). Les diatomées qui extraient la silice pour former leurs membranes externes peuvent prendre des formes très complexes. En revanche, elles sont toujours caractéristiques de l'étendue d'eau dans laquelle elles ont été prélevées : deux échantillons de deux lacs différents seront forcément dissemblables l'un de l'autre.
Oligo-élément
L'organisme humain en contient entre 200 mg et 7g 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.
L'hypothétique biochimie du silicium
A la limite (actuellement) de la science-fiction et de la science tout court, de multiples travaux visent à mettre en évidence une tout autre forme de vie, basée non pas sur le carbone comme sur notre bonne vieille Terre, mais sur le silicium.
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 élement 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
