Sciences · Éléments chimiques
Silicium
Le silicium (Si, numéro atomique 14) est un métalloïde gris et brillant, deuxième élément de la croûte terrestre après l’oxygène. Semi-conducteur, il est le matériau de base des puces électroniques et des panneaux solaires.
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Le sable des plages, le verre des fenêtres, le quartz des montres et les processeurs des ordinateurs ont un point commun : le silicium. Associé à l’oxygène, il forme l’essentiel des roches terrestres. Purifié à l’extrême, il est devenu l’élément emblématique de l’ère numérique, au point de donner son nom à la Silicon Valley.
Fiche d’identité
| Caractéristique | Valeur |
|---|---|
| Symbole | Si |
| Numéro atomique | 14 |
| Masse atomique | 28,085 u |
| Famille | Métalloïde (groupe 14, période 3) |
| État à 20 °C | Solide |
| Fusion | 1 414 °C |
| Ébullition | 3 265 °C |
| Découverte | 1824, Jöns Jacob Berzelius |
| Abondance | environ 28 % de la croûte terrestre en masse (2ᵉ élément) |
Propriétés
Le silicium cristallin est gris-bleu, dur et cassant, avec un éclat métallique. Il cristallise dans la même structure que le diamant. Comme le carbone, situé juste au-dessus de lui, il possède quatre électrons externes et forme quatre liaisons covalentes.
C’est un semi-conducteur : sa conductivité électrique est faible à l’état pur, mais on peut la contrôler très finement en y ajoutant d’infimes quantités d’autres éléments, c’est le dopage. Le bore crée un silicium de type p (manque d’électrons), le phosphore ou l’arsenic un silicium de type n (excès d’électrons). La jonction des deux est à la base des diodes, des transistors et des cellules solaires.
Le silicium se dilate en se solidifiant, comme l’eau, et il est transparent à l’infrarouge.
Isotopes
| Isotope | Part naturelle |
|---|---|
| Silicium 28 | environ 92,2 % |
| Silicium 29 | environ 4,7 % |
| Silicium 30 | environ 3,1 % |
Des sphères de silicium 28 quasi pur, polies à l’extrême, ont servi à compter précisément les atomes pour redéfinir le kilogramme en 2019 (voir unités du système international).
Où le trouve-t-on ?
Jamais à l’état natif. Le silicium est présent sous forme de silice (SiO₂ : quartz, sable, silex, opale) et de silicates, qui forment plus de 90 % des minéraux de la croûte : feldspaths, micas, argiles, olivine (voir roches et minéraux).
Production
- Le silicium métallurgique (environ 98-99 % de pureté) est obtenu en réduisant du quartz par du carbone dans un four à arc électrique vers 2 000 °C. La Chine en produit la grande majorité.
- Le silicium polycristallin de qualité solaire ou électronique est purifié par voie chimique (procédé Siemens) : le silicium est converti en trichlorosilane, distillé, puis redéposé sur des barreaux chauffés. La pureté atteint 99,9999999 % (« neuf neuf ») pour l’électronique.
- Les monocristaux sont tirés d’un bain fondu (méthode de Czochralski) sous forme de lingots cylindriques, découpés en plaquettes (wafers) de quelques dixièmes de millimètre.
Usages
| Forme | Usages |
|---|---|
| Silicium métal | alliages aluminium-silicium (pièces moulées de moteurs), fabrication des silicones |
| Ferrosilicium | désoxydation de l’acier, aciers électriques des transformateurs |
| Silicium ultra-pur | puces, mémoires, processeurs (voir fonctionnement d’un ordinateur) |
| Silicium solaire | plus de 95 % des panneaux photovoltaïques (voir énergies renouvelables) |
| Silice | verre, fibre optique, ciment et béton, quartz des montres |
| Silicones | joints, mastics, ustensiles de cuisine, implants, lubrifiants |
| Carbure de silicium | abrasifs, électronique de puissance des véhicules électriques |
Rôle biologique et toxicité
Le silicium est indispensable à certains organismes : les diatomées, algues microscopiques, et les éponges siliceuses construisent leur squelette en silice ; les prêles et les graminées en renforcent leurs tiges. Chez l’être humain, son rôle éventuel dans les os et le tissu conjonctif reste débattu.
Le silicium et la silice amorphe sont peu toxiques. En revanche, l’inhalation prolongée de poussières de silice cristalline (carriers, mineurs, tailleurs de pierre, découpe de plans de travail en quartz reconstitué) provoque la silicose, une fibrose pulmonaire irréversible, et augmente le risque de cancer du poumon. C’est une maladie professionnelle reconnue.
Histoire du nom
Lavoisier soupçonnait dès 1787 que la silice était l’oxyde d’un élément inconnu. En 1824, le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius obtient du silicium amorphe en réduisant du fluorosilicate de potassium par le potassium, et le purifie. Le nom vient du latin silex, silicis, « caillou dur ». Le silicium cristallin est obtenu en 1854 par Henri Sainte-Claire Deville. En anglais, il se dit silicon ; à ne pas confondre avec silicone, le polymère.
Questions fréquentes
Pourquoi le silicium est-il utilisé dans les puces ?
C’est un semi-conducteur abondant, que l’on sait purifier et cristalliser parfaitement, et dont l’oxyde, isolant et stable, se forme facilement en surface. Ces qualités ont permis la miniaturisation des transistors.
Silicium et silicone, quelle différence ?
Le silicium est un élément chimique. Les silicones sont des polymères synthétiques formés de chaînes silicium-oxygène portant des groupes carbonés (voir polymères et plastiques).
Une vie à base de silicium est-elle possible ?
C’est une hypothèse de science-fiction. Les liaisons du silicium sont moins variées et moins stables en milieu aqueux que celles du carbone, et son oxyde est solide, alors que le CO₂ est un gaz facile à échanger.