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.
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.
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
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.
Une autre utilisation
importante du silicium est
la synthèse des silicones.
Cette application représente
à peu près 40 % de la
consommation de silicium.
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).
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.
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.
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.
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)).
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.
À la limite de la
science et de la
science-fiction, de
multiples travaux 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.
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.
