Le silicium (Z = 14)

Le silicium représente près de 28 % de la masse de la croûte terrestre, où il est présent principalement sous forme de dioxyde de silicium (silice) et de silicates. Il ne vient toutefois qu'en deuxième position, l'oxygène occupant de loin la première place (avec 46 % de la masse totale). Si l'on prend maintenant l'univers dans son ensemble, le silicium occupe la huitième place en terme d'abondance, juste derrière l'azote. Il possède trois isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le même nombre de protons, mais qui différent par leur nombre de neutrons. stables : le silicium 28 (²⁸Si), pour 92 %, le silicium 29 (²⁹Si), pour 5 %, et le silicium 30 (³⁰Si), pour 3 %.

Origine du silicium

Le silicium se forme au coeur des vieilles étoiles massives. Lorsqu'elles en sont au stade de la fusion du carbone, ces dernières produisent du sodium 23 (²³Na), du néon 20 (²⁰Ne), du magnésium 23 (²³Mg) et, dans une moindre mesure, du magnésium 24 (²⁴Mg), qui réagit à son tour avec de l'hélium 4 pour donner du silicium 28 (²⁸Si) :

²⁴Mg + ⁴He ---> ²⁸Si + rayons gammas

Un peu plus tard, et sous réserve que l'étoile soit suffisamment massive (au moins huit masses solaires), la fusion de l'oxygène prend le relai. Il se forme alors du phosphore (30 et 31), du soufre (31 et 32), du magnésium 24 et du silicium (28 et 30), selon les réactions suivantes :

¹⁶O + ¹⁶O ---> ²⁸Si + ⁴He

¹⁶O + ¹⁶O ---> ³⁰Si + 2 ¹p (protons)

La température qui règne au coeur de l'étoile est alors d'environ deux milliards de kelvins. Une fois l'oxygène épuisé, une dernière étape, très courte, marque les tout derniers instants de notre étoile : la fusion du silicium. Celle-ci ne dure tout au plus qu'une journée, et se solde par l'explosion de l'étoile (supernova de type II).

Un peu d'histoire

Il faut attendre l'année 1823 pour que le savant suédois Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) parvienne à isoler le silicium. Cet élément tire son nom du latin "silex", qui signifie "pierre dure" ou "caillou".

Propriétés du silicium

A l'état cristallin, le silicium se présente sous forme d'un solide de couleur gris ardoise, tandis qu'à l'état amorphe, il se présente sous l'aspect d'une poudre gris-brun.

Le principal intérêt du silicium réside dans le fait qu'il s'agit d'un semi-conducteur, c'est-à-dire que sa conductivité électrique est intermédiaire entre celle des isolants et celle des métaux (nous y reviendrons).
Dans les CNTPLes CNTP ou conditions normales de température et de pression sont considérées de façon arbitraire comme étant les conditions d'expérimentation et de mesure en laboratoire, définies par une température de 0°C (273,15 K) et une pression de 1 atmosphère (soit 101 325 Pa ou 1,013 bars). (conditions normales de température et de pression), sa température de fusion est de 1414°C. Il présente un point commun avec l'eau : contrairement à la plupart des substances, il est plus dense à l'état liquide qu'à l'état solide. Plutôt cassant lorsqu'il est à l'état solide, il réagit au contact de l'air et se recouvre rapidement d'une couche protectrice (imperméable) d'oxyde d'aluminium (SiO₂).
Dans la nature on le trouve essentiellement sous forme de silice (SiO₂), que ce soit à l'état libre (quartz, calcédoine...), ou combinée à d'autre oxydes (il s'agit alors de silicates). Certaines variétés de sable ne sont d'ailleurs rien d'autre que de la silice pratiquement pure. De même, nombre de pierres fines (agathes, opales, améthystes...) sont constituées de silice hydratée.
Les diatomées, organismes microscopiques présents dans tous les milieux aquatiques, utilisent de la silice pure pour se construire une sorte d'enveloppe solide, qui fait en quelque sorte office de squelette externe.

Mais il n'y a pas que les diatomées qui font appel à cet élément. Les poils des orties, pour ne prendre que cet exemple, finissent par de petits "éperons" très pointus en silice, qui s'enfoncent dans la peau, permettant ainsi l'injection de liquide urticant (de l'acide formique).
Dans le corps humain, le silicium contribue à la fixation du calcium dans les os, et intervient dans la synthèse de certaines protéines comme le collagène et l'élastine, qui participent à l'élasticité des parois artérielles et de la peau. Il joue également un rôle dans le bon fonctionnement de notre système immunitaire.

Production industrielle du silicium

Le silicium pur est obtenu par réduction de la silice (SiO₂) à l'aide de carbone, dans un four à arc électrique, selon la réaction :

SiO₂ + 2 C ---> 2 CO + Si

Comme il peut se former du carbure de silicium (SiC) indésirable, on fait en sorte que le dioxyde de silicium soit en excès afin de prévenir son accumulation. On obttient alors la réaction suivante :

SiC + SiO₂ ---> 3Si + 2 CO

La silice introduite dans le creuset (four) se présente généralement sous forme de morceaux de quartz, tandis que le carbone (qui joue le rôle de réducteur), peut être apporté par du charbon de bois, de la houille, du coke... selon le degré de pureté que l'on souhaite atteindre. Il y règne une température d'environ 1 700°C (qui peut atteindre 3 000°C au niveau des arcs électriques produits par les électrodes), ce qui permet d'obtenir du silicium à l'état liquide, présentant un degré de pureté de l'ordre de 99% (on parle ici de qualité métallurgique).
Si le silicium est destiné à un usage électronique, il faut le purifier, ce qui se fait en plusieurs étapes. Porté à une température de 300°C, le silicium est dans un premier temps transformé en trichlorosilane (SiHCl₃) à l'aide de chlorure d'hydrogène :

Si + 3 HCl –––> SiHCl₃ + H₂

Le SiHCl₃ est ensuite distillé puis réduit par le dihydrogène (aux environs de 1 000°C), ce qui permet d'obtenir du silicium polycristallin, constitué d'une multitudes de petits cristaux présentant différentes tailles et formes.

La dernière étape consiste à transformer le silicium polycristallin en silicium monocristallin, la méthode généralement employée (à plus de 80%) étant celle dite de "Czochralski". Il faut pour cela plonger un germe de silicium monocristallin dans un bain de silicium fondu, maintenu à une température tout juste supérieure au point de fusion. Le silicium liquide va se solidifier progressivement sur le germe, que l'on tire lentement vers le haut tout en le faisant tourner. On obtient ainsi un cristal unique de grande taille, en forme de lingot cylindrique, long d'environ 2 m pour une masse généralement comprise entre 60 et 100 kg.

Les lingots ainsi obtenus sont ensuite découpés en fines tranches appelées wafers, dont le diamètre peut varier de 25 mm à 300 mm, pour une épaisseur d'environ 0,7 mm. Ces wafers sont ensuite dopés (on leur ajoute des impuretés en petites quantités) et gravés afin de fabriquer des circuits intégrés, des transistors...

En 2019, ce sont environ 3,1 millions de tonnes de silicium qui ont ainsi été produites au niveau mondial, la Chine arrivant largement en tête, avec 2,2 millions de tonnes.

Quelques exemples d'utilisation du silicium

- Le silicium, en raison de son caractère semi-conducteur, joue un rôle clé en électronique, puisqu'il intervient dans la fabrication des transistors et des circuits intégrés (puces). Ce domaine nécessite l'utilisation de silicium dont le degré de pureté peut atteindre, voire dépasser 99,999 999 99 %. Le silicium ainsi obtenu est ensuite dopé avec des impuretés (bore, arsenic, gallium...) afin d'obtenir les propriétés souhaitées.

- Toujours en raison de son caractère semi-conducteur, le silicium entre dans la fabrication des cellules solaires photovoltaïques.

- Les silicones (ou polysiloxanes) sont des polymères constitués de chaînes d'atomes où alternent le silicium et l'oxygène (...Si-O-Si-O-Si-O-Si-O...), chaînes sur lesquelles viennent se greffer d'autres groupes d'atomes, le plus souvent des groupes méthyle (CH₃-). Les silicones sont utilisés sous forme de mastics pour joints, de colles, de graisses résistantes à l'eau, de gaines isolantes de cables électriques, de moules mous et d'ustensiles de cuisine, de cosmétiques, de prothèses médicales...

- Les alliages aluminium-silicium (comme l'Alpax) sont couramment employés pour fabriquer des pièces moulées, notamment dans les secteurs de l'automobile (jantes) et de l'aéronautique (moteurs d'avions).

- Le carbure de silicium, ou carborundum, est une céramique réfractaire (elle fond à 2700°C), ultradure (plus dure que les corindons), utilisée comme abrasif (meules) ainsi que dans les plaques de certains gilets pare-balles.

- Le verre, fabriqué à partir de sable, est principalement constitué d'oxyde de silicium, ou silice (SiO₂). Cette dernière ayant une température de fusion plutôt élevée (environ 1750°C), on lui ajoute un "fondant" (généralement de la soude) afin d'abaisser cette température aux alentours de 1400 - 1500°C. On ajoute également du calcium (sous forme de chaux) pour empêcher la cristallisation du verre lors du refroidissement, ainsi que divers additifs afin de le colorer (l'oxyde de fer lui donne une teinte verdâtre) ou d'améliorer ses performances.

- Le ciment est obtenu à partir d'un mélange de calcaire (qui apporte du calcium) et d'argile, roche sédimentaire constituée d'aluminosilicates hydratés. Porté à très haute température (entre 1400 et 1500°C), ce mélange est progressivement transformé en clinker. Après cuisson, celui-ci est refroidi puis broyé jusqu'à obtention d'une poudre, principalement constituée de silicates de calcium et d’aluminates de calcium.

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