Silicium.

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Le silicium

Si

Le silicium [symbole : Si] est un élément rangé parmi les métalloïdes (c'est-à-dire les éléments intermédiaires par leurs propriétés entre les métaux et les non métaux).. C'est un solide cristallin dur et cassant avec un éclat métallique bleu-gris, insoluble dans l'eau et les solvants organiques. Lorsqu'il est réduit en poudre, il réagit avec certaines bases et éléments, mais n'est généralement pas réactif. Il a une structure cristalline et est un semi-conducteur, ce qui signifie qu'il conduit l'électricité dans certaines conditions.

Historique. - Le silicium est un élément métalloïdique qui fut isolé pour la première fois par Berzelius en 1823. Celui-ci le préparait en décomposant le silicofluorure de potassium au moyen de potassium dans un tube de fer à une chaleur rouge. Une fois refroidie, la masse a été traitée avec de l'eau, qui a dissous le fluorure de potassium, laissant le silicium sous la forme d'une poudre brune amorphe. Parmi les anciens minéraux riches en silice ont été utilisés dans la fabrication du verre, et Becher a soutenu qu'ils contenaient un type particulier de terre, à laquelle il a donné le nom de terra vitrescibilis. Au XVII^e siècle, on avait constaté que ces minéraux ne se modifiaient pas lorsqu'ils étaient chauffés par eux-mêmes et ne formaient un verre fusible qu'au contact d'autres corps. En 1660, Tachenius montra qu'elle possédait des propriétés acides plutôt qu'alcalines, car elle se combinait avec des alcalis, mais la vraie nature de la silice resta inconnue jusqu'à ce que Davy la démontre au début du XIX^e siècle. Deville l'obtint à l'état cristallisé en 1854 et établit les analogies qu'il présente avec le carbone.

C'est le huitième élément le plus répandu dans l'univers en masse. Sur Terre, on ne le trouve jamais à l'état isolé, mais en association avec l'oxygène dans le sable et les roches sous forme de dioxyde de silicium ou de silice (quartz, silex, sable, etc.), et dans divers minéraux sous forme de silicates métalliques. On le trouve également dans les sources minérales et dans l'eau de mer. C'est, après l'oxygène, le deuxième élément les plus abondant de la croûte terrestre, représentant environ 28 % de sa masse.

Il est généralement extrait du quartz en chauffant un mélange de quartz et de carbone à des températures élevées en présence d'hydrogène gazeux (procédé Siemens). Cela produit du silicium pur sous forme de silicium cristallin ou de silicium polycristallin. Cet élément est largement utilisé dans la technologie moderne, en particulier dans l'industrie des semi-conducteurs, ainsi que dans la production de verre, de céramique et d'autres matériaux.

Numéro atomique
Masse atomique (uma)
Point d'ébullition (°C)^*
Point de fusion (°C)
Masse volumique (g/cm³)
Structure électronique^*
^{Degrés
d'oxydation}

14
28,086
2680^*
1410
2,33^*
(Ne)3s²3p²
4

Structure électronique et propriétés.
Le silicium possède 14 électrons, répartis dans les différentes orbitales de son atome, selon le schéma suivant : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p² (il y a deux électrons dans la couche 1s, deux électrons dans l'orbitale 2s, six électrons dans l'orbitale 2p, et, dans la couche de valence (couche périphérique) deux électrons dans l'orbitale 3s et deux électrons dans l'orbitale 3p). Autrement dit l'atome de silicium possède 4 électrons de valence susceptibles d'être mis en communs avec d'autre atomes pour former des liaisons chimiques covalentes.

Cette configuration électronique donne à l'atome de silicium des propriétés telles qu'une grande stabilité chimique et une faible conductivité électrique.

• Bien qu'il ne réagisse pas facilement avec d'autres éléments, le silicium réagit à haute température avec des éléments tels que le fluor, le chlore et l'oxygène. Il forme des structures tétraédriques lorsqu'il se lie à l'oxygène pour former des silicates. Il forme également des hydrures, tels que le silane (SiH4).
• L'atome de silicium forme aussi des liaisons covalentes avec quatre autres atomes de silicium pour former un réseau cristallin en trois dimensions, d'une structure similaire à celle du diamant, et comme le diament est très dur et a une conductivité thermique élevée.
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• Il est également possible de modifier les propriétés physiques du silicium en introduisant des impuretés (dopage) dans la structure en treillis forme avec d'autres éléments (carbone, azote). Cela permet le déplacement contrôlé des électrons, afin de créer des semi-conducteurs. Il peut alors être utilisé pour fabriquer des puces informatiques, des panneaux solaires, et d'autres appareils électroniques.

Les composés du silicium.
Le silicates.
Les silicates sont des composés chimiques qui contiennent du silicium, associé à de l'oxygène et à des métaux, tels que l'aluminium, le fer, le magnésium et le calcium. Lles plus courants sont les aluminosilicates, parmi lesquels on compte des minéraux tels que la mica, la feldspath, la kaolinite et la cordiérite. Ces composés se forment lorsque le silicium réagit avec l'oxygène pour former des ions SiO4^4-. Ces tétraèdres de silicate peuvent se lier entre eux en partageant des atomes d'oxygène pour former des structures cristallines complexes, qui peuvent être classées en différentes catégories en fonction de leur structure et de leur composition.

Les silicates de calcium, tels que la wollastonite ou métasilicate de calcium (CaSiO3), sont largement utilisés dans l'industrie pour la fabrication de matériaux réfractaires, de produits ignifuges et de matériaux isolants. D'autres silicates sont utilisés dans l'industrie des semi-conducteurs pour fabriquer des plaquettes de silicium pur pour la production de puces électroniques.

Les oxydes de silicium.
Le plus connu, et l'un des plus courants, des oxydes de silicium est le dioxyde de silicium (SiO2). Également appelé oxyde de silicium (IV) ou silice, est un solide cristallin blanc et insoluble. Il se présente sous de nombreuses formes, telles que le silex, le quartz et la cristobalite. Il est acide et réagit avec les alcalis concentrés. Il est utilisé dans la fabrication de verre, de céramique, de ciment et de nombreux autres matériaux.

De façon générale, les oxydes de silicium sont des composés inorganiques largement utilisés dans l'industrie des céramiques et du verre, ainsi que comme abrasifs, agents de polissage et comme additifs dans les peintures et les revêtements. Citons parmi eux, outre le dioxyde de silicium, le tétraoxyde de silicium (SiO4), le silicate de sodium (Na2SiO3), le silicate d'aluminium (Al2SiO5) et le verre de silice.

Les carbures de silicium.
Les carbures de silicium sont des matériaux céramiques qui ont des propriétés mécaniques exceptionnelles, telles que leur dureté, leur résistance à l'usure et leur résistance aux températures élevées. Ils sont utilisés dans la production de plaques de blindage, de revêtements résistants à la chaleur, de pièces de turbine et de pièces de frein pour les voitures. Exemple : le carbure de silicium (SiC), sous différentes formes (carbure de silicium réfractaire (R-SiC), carbure de silicium poreux (PSiC)), matériau très dur et résistant à la chaleur, utilisé dans la fabrication de composants électroniques, de revêtements protecteurs et de pièces mécaniques.

Les silanes.
Les silanes sont des composés organosiliciés utilisés comme agents de couplage pour améliorer l'adhérence des matériaux, ou encore dans la production de polymères et de revêtements résistants à l'eau. Exemples :

+ Le silane (SiH4) est un gaz incolore utilisé dans la production de silicium pur et d'autres matériaux à base de silicium.

+ Le trichlorosilane (SiHCl3) est utilisé dans la production de silicium polycristallin, matériau de base pour la fabrication de cellules solaires.
+ Le tétraéthoxysilane (Si(OC2H5)4) ou tétraéthylorthosilicate (TEOS) est un précurseur pour la production de verre de silice, notamment.

Les silicones.
Les silicones sont également des composés artificiels organocilicés, contenant de très longues chaînes d'atomes de silicium et d'oxygène, résistants aux températures élevées, stables chimiquement et excellents isolants électriques. Ils sont utilisés dans la production d'huiles, de graisses, de produits de beauté, d'adhésifs, de matériaux isolants et de joints d'étanchéité. Exemples : le polydiméthylsiloxane (PDMS), le silicate de méthyle, le caoutchouc silicone, etc.