Quelles propriétés présente le silicium ? Silicium : application, propriétés chimiques et physiques

13.10.2019

Caractéristiques du silicium

Propriétés physiques

Le silicium est un matériau fragile, gris clair avec une teinte métallique ou un matériau poudreux brun. La structure d'un cristal de silicium est similaire à celle du diamant, mais en raison des différences de longueur de liaison entre les atomes, la dureté du diamant est beaucoup plus élevée.

Le silicium est un non-métal disponible pour un rayonnement électromagnétique. De par certaines qualités, il se situe à mi-chemin entre les non-métaux et les métaux :

Lorsque la température atteint 800 °C, il devient flexible et plastique ;

Lorsqu'il est chauffé à 1 417 °C, il fond ;

Commence à bouillir à des températures supérieures à 2 600 °C ;

Change la densité à haute pression ;

A la propriété d'être magnétisé dans le sens inverse de l'extérieur champ magnétique(diamant).

Le silicium est un semi-conducteur et les impuretés contenues dans ses alliages déterminent les caractéristiques électriques des futurs composés.

Propriétés chimiques

Lorsqu'il est chauffé, le Si réagit avec l'oxygène, le brome, l'iode, l'azote, le chlore et divers métaux. Lorsqu'ils sont combinés avec du carbone, on obtient des alliages durs présentant une résistance thermique et chimique.

Le silicium n'interagit en aucune façon avec l'hydrogène, donc tous les mélanges possibles avec celui-ci sont obtenus de manière différente.

À conditions normales il réagit faiblement avec toutes les substances à l'exception du fluor gazeux. Avec lui, du tétrafluorure de silicium SiF4 est formé. Cette inactivité s'explique par le fait que, du fait de la réaction avec l'oxygène, l'eau, sa vapeur et l'air, un film de dioxyde de silicium se forme à la surface du non-métal et l'enveloppe. L’effet chimique est donc lent et insignifiant.

Pour enlever cette couche, utilisez un mélange de fluorure d'hydrogène et acides nitriques ou des solutions aqueuses d'alcalis. Certains liquides spéciaux nécessitent pour cela l’ajout d’anhydride chromique et d’autres substances.

Trouver du silicium dans la nature

Le silicium est aussi important pour la Terre que le carbone l’est pour les plantes et les animaux. Sa croûte contient presque la moitié de l'oxygène, et si vous y ajoutez du silicium, vous obtenez 80 % de la masse. Cette connexion est très importante pour le mouvement des éléments chimiques.

75 % de la lithosphère contient divers sels d'acides siliciques et de minéraux (sable, quartzites, silex, micas, feldspaths…). Lors de la formation du magma et de diverses roches ignées, le Si s'accumule dans les granites et les roches ultramafiques (plutoniques et volcaniques).

Il y a 1 g de silicium dans le corps humain. La plupart se trouvent dans les os, les tendons, la peau et les cheveux, les ganglions lymphatiques, l'aorte et la trachée. Il participe à la croissance des tissus conjonctifs et osseux et maintient également l’élasticité des vaisseaux sanguins.

L'apport quotidien pour un adulte est de 5 à 20 mg. L'excès provoque la silicose.

Applications du silicium dans l'industrie

Ce non-métal est connu de l’homme depuis l’âge de pierre et est encore largement utilisé aujourd’hui.

Application:

C'est un bon agent réducteur, il est donc utilisé en métallurgie pour produire des métaux.

Dans certaines conditions, le silicium peut conduire l’électricité, c’est pourquoi il est utilisé en électronique.

L'oxyde de silicium est utilisé dans la fabrication de verres et de matériaux silicatés.

Des alliages spéciaux sont utilisés pour la production de dispositifs semi-conducteurs.

Silicium (Si) – se situe dans la période 3, groupe IV du sous-groupe principal du tableau périodique. Propriétés physiques: le silicium existe sous deux modifications : amorphe et cristallin. Le silicium amorphe est une poudre brune d'une densité de 2,33 g/cm3, soluble dans les métaux fondus. Le silicium cristallin est constitué de cristaux gris foncé à l'éclat d'acier, durs et cassants, d'une densité de 2,4 g/cm3. Le silicium est constitué de trois isotopes : Si (28), Si (29), Si (30).

Propriétés chimiques: configuration électronique: 1s22s22p63 s23p2 . Le silicium est un non-métal. Au niveau d'énergie externe, le silicium possède 4 électrons, ce qui détermine ses états d'oxydation : +4, -4, -2. Valence – 2,4. Le silicium amorphe a une plus grande réactivité que le silicium cristallin. Dans des conditions normales, il interagit avec le fluor : Si + 2F2 = SiF4. À 1000 °C, Si réagit avec les non-métaux : CL2, N2, C, S.

Parmi les acides, le silicium ne réagit qu'avec un mélange d'acides nitrique et fluorhydrique :

Il se comporte différemment vis-à-vis des métaux : dans le Zn, Al, Sn, Pb fondus, il se dissout bien, mais ne réagit pas avec eux ; Le silicium interagit avec d'autres métaux fondus - avec Mg, Cu, Fe - pour former des siliciures : Si + 2Mg = Mg2Si. Le silicium brûle dans l'oxygène : Si + O2 = SiO2 (sable).

Dioxyde de silicium ou silice– connexion stable Si, largement répandu dans la nature. Il réagit en le fusionnant avec des alcalis et des oxydes basiques, formant des sels d'acide silicique - silicates. Reçu: dans l'industrie, le silicium sous sa forme pure est obtenu par réduction du dioxyde de silicium avec du coke dans des fours électriques : SiO2 + 2C = Si + 2CO ?.

En laboratoire, le silicium est obtenu par calcination avec du magnésium ou de l'aluminium sable blanc:

SiO2 + 2Mg = 2MgO + Si.

3SiO2 + 4Al = Al2O3 + 3Si.

Le silicium forme des acides : H2 SiO3 – acide méta-silicique ; H2 Si2O5 est l'acide diméthasilicique.

Trouver dans la nature : minéral de quartz – SiO2. Les cristaux de quartz ont la forme d'un prisme hexagonal, incolore et transparent, et sont appelés cristal de roche. L'améthyste est un cristal de roche de couleur violette avec des impuretés ; la topaze fumée est de couleur brunâtre; l'agate et le jaspe sont des variétés cristallines de quartz. La silice amorphe est moins courante et existe sous la forme du minéral opale – SiO2 nH2O. La diatomite, le tripoli ou la terre de diatomées (terre de diatomées) sont des formes terreuses de silicium amorphe.

42. Le concept de solutions colloïdales

Solutions colloïdales– les systèmes diphasiques hautement dispersés, constitués d'un milieu de dispersion et d'une phase dispersée. Les tailles de particules sont intermédiaires entre les vraies solutions, suspensions et émulsions. U particules colloïdales composition moléculaire ou ionique.

Il existe trois types de structure interne des particules primaires.

1. Suspensoïdes (ou colloïdes irréversibles)– des systèmes hétérogènes dont les propriétés peuvent être déterminées par la surface d'interphase développée. Par rapport aux suspensions, elles sont plus dispersées. Ils ne peuvent exister longtemps sans stabilisateur de dispersion. Elles sont appelées colloïdes irréversibles en raison du fait que leurs sédiments ne forment plus de sols après évaporation. Leur concentration est faible - 0,1%. Elles diffèrent légèrement de la viscosité du milieu dispersé.

Les suspensoïdes peuvent être obtenus :

1) méthodes de dispersion (écrasement de gros corps) ;

2) méthodes de condensation (production de composés insolubles par réactions d'échange, hydrolyse, etc.).

La diminution spontanée de la dispersité dans les suspensions dépend de l'énergie de surface libre. Pour obtenir une suspension longue durée, des conditions sont nécessaires pour la stabiliser.

Systèmes dispersés stables :

1) milieu de dispersion ;

2) phase dispersée ;

3) stabilisateur du système dispersé.

Le stabilisant peut être ionique, moléculaire, mais le plus souvent de haut poids moléculaire.

Colloïdes protecteurs– des composés de haut poids moléculaire ajoutés pour la stabilisation (protéines, peptides, alcool polyvinylique, etc.).

2. Colloïdes associatifs (ou micellaires) – semicolloïdes qui apparaissent lorsqu'il existe une concentration suffisante de molécules constituées de radicaux hydrocarbonés (molécules diphiles) de substances de faible poids moléculaire lorsqu'elles s'associent en agrégats de molécules (micelles). Micelles formé dans des solutions aqueuses détergents(savons), colorants biologiques.

3. Colloïdes moléculaires (colloïdes réversibles ou lyophiles) – substances naturelles et synthétiques de haut poids moléculaire. Leurs molécules ont la taille de particules colloïdales (macromolécules).

Les solutions diluées de colloïdes de composés de haut poids moléculaire sont des solutions homogènes. Lorsqu'elles sont fortement diluées, ces solutions obéissent aux lois des solutions diluées.

Les macromolécules non polaires se dissolvent dans les hydrocarbures, les macromolécules polaires - dans les solvants polaires.

Colloïdes réversibles– les substances dont le résidu sec, lors de l'ajout d'une nouvelle portion de solvant, retourne en solution.

Le silicium sous forme libre a été isolé en 1811 par J. Gay-Lussac et L. Thénard par passage de vapeur de fluorure de silicium sur du potassium métallique, mais il n'a pas été décrit par eux comme un élément. Le chimiste suédois J. Berzelius a donné en 1823 une description du silicium qu'il a obtenu en traitant le sel de potassium K 2 SiF 6 avec du potassium métallique à haute température. Le nouvel élément a reçu le nom de « silicium » (du latin silex – silex). Le nom russe « silicium » a été introduit en 1834 par le chimiste russe German Ivanovich Hess. Traduit du grec ancien. krhmnoz- "falaise, montagne".

Être dans la nature, recevoir :

Dans la nature, le silicium se trouve sous forme de dioxyde et de silicates de compositions diverses. La silice naturelle se présente principalement sous forme de quartz, bien qu'il existe également d'autres minéraux tels que la cristobalite, la tridymite, la kitite et la cousite. La silice amorphe se trouve dans les dépôts de diatomées au fond des mers et des océans - ces dépôts se sont formés à partir de SiO 2, qui faisait partie des diatomées et de certains ciliés.
Le silicium libre peut être obtenu en calcinant du sable blanc et fin avec du magnésium, qui composition chimique est de l'oxyde de silicium presque pur, SiO 2 +2Mg=2MgO+Si. Dans l'industrie, le silicium de qualité technique est obtenu en réduisant le SiO 2 fondu avec du coke à une température d'environ 1 800 °C dans des fours à arc. La pureté du silicium ainsi obtenu peut atteindre 99,9% (les principales impuretés sont le carbone et les métaux).

Propriétés physiques:

Le silicium amorphe se présente sous la forme d'une poudre brune dont la densité est de 2,0 g/cm 3 . Silicium cristallin - gris foncé, brillant substance cristalline, cassant et très dur, cristallise dans le réseau de diamant. Il s'agit d'un semi-conducteur typique (il conduit l'électricité mieux qu'un isolant comme le caoutchouc et pire qu'un conducteur comme le cuivre). Le silicium est fragile ; ce n'est que lorsqu'il est chauffé au-dessus de 800 °C qu'il devient une substance plastique. Il est intéressant de noter que le silicium est transparent pour rayonnement infrarouge, à partir d'une longueur d'onde de 1,1 micromètre.

Propriétés chimiques:

Chimiquement, le silicium est inactif. À température ambiante réagit uniquement avec le fluor gazeux, entraînant la formation de tétrafluorure de silicium volatil SiF 4 . Lorsqu'il est chauffé à une température de 400 à 500 °C, le silicium réagit avec l'oxygène pour former du dioxyde, et avec le chlore, le brome et l'iode pour former les tétrahalogénures hautement volatils correspondants SiHal 4. À une température d'environ 1 000°C, le silicium réagit avec l'azote pour former le nitrure Si 3 N 4, avec le bore - les borures thermiquement et chimiquement stables SiB 3, SiB 6 et SiB 12. Le silicium ne réagit pas directement avec l'hydrogène.
Pour la gravure du silicium, un mélange d'acides fluorhydrique et nitrique est le plus largement utilisé.
Attitude envers les alcalis...
Le silicium est caractérisé par des composés avec un état d'oxydation de +4 ou -4.

Les connexions les plus importantes :

Dioxyde de silicium, SiO 2- (anhydride de silicium)...
...
Acides siliciques- faible, insoluble, formé lorsqu'un acide est ajouté à une solution de silicate sous forme de gel (substance semblable à la gélatine). H 4 SiO 4 (orthosilicium) et H 2 SiO 3 (métasilicium ou silicium) existent uniquement en solution et sont convertis de manière irréversible en SiO 2 lorsqu'ils sont chauffés et séchés. Le produit solide poreux résultant est gel de silice, a une surface développée et est utilisé comme adsorbant de gaz, dessicant, catalyseur et support de catalyseur.
Silicates- les sels des acides siliciques sont pour la plupart (à l'exception des silicates de sodium et de potassium) insolubles dans l'eau. Propriétés....
Composés d'hydrogène- les analogues d'hydrocarbures, silanes, composés dans lesquels les atomes de silicium sont reliés par une simple liaison, fort, si les atomes de silicium sont reliés par une double liaison. Comme les hydrocarbures, ces composés forment des chaînes et des anneaux. Tous les silanes peuvent s'enflammer spontanément, former des mélanges explosifs avec l'air et réagir facilement avec l'eau.

Application:

Le silicium est le plus largement utilisé dans la production d'alliages destinés à conférer une résistance à l'aluminium, au cuivre et au magnésium et pour la production de ferrosiliciures, qui jouent un rôle important dans la production d'aciers et dans la technologie des semi-conducteurs. Les cristaux de silicium sont utilisés dans les cellules solaires et les dispositifs semi-conducteurs : transistors et diodes. Le silicium sert également de matière première pour la production de composés organosiliciés, ou siloxanes, obtenus sous forme d'huiles, de lubrifiants, de plastiques et de caoutchoucs synthétiques. Composés inorganiques le silicium est utilisé dans la technologie de la céramique et du verre, comme matériau isolant et piézocristaux

Pour certains organismes, le silicium est un élément biogénique important. Il fait partie des structures de soutien des plantes et des structures squelettiques des animaux. Le silicium est concentré en grande quantité par les organismes marins - diatomées, radiolaires, éponges. De grandes quantités de silicium sont concentrées dans les prêles et les céréales, principalement dans les sous-familles du bambou et du riz, dont le riz. Le tissu musculaire humain contient (1-2)·10 -2% de silicium, le tissu osseux - 17·10 -4%, le sang - 3,9 mg/l. Jusqu'à 1 g de silicium pénètre chaque jour dans le corps humain avec la nourriture.

Antonov S.M., Tomilin K.G.
Université d'État HF Tioumen, groupe 571.

Désignation - Si (Silicium);
Période - III ;
Groupe - 14 (IVa);
Masse atomique - 28,0855 ;
Numéro atomique - 14 ;
Rayon atomique = 132 pm ;
Rayon covalent = 111 pm ;
Distribution électronique - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 ;
température de fusion = 1412°C ;
point d'ébullition = 2355°C ;
Electronégativité (selon Pauling/selon Alpred et Rochow) = 1,90/1,74 ;
État d'oxydation : +4, +2, 0, -4 ;
Densité (n°) = 2,33 g/cm3 ;
Volume molaire = 12,1 cm 3 /mol.

Composés de silicium :

Le silicium a été isolé pour la première fois sous sa forme pure en 1811 (les Français J. L. Gay-Lussac et L. J. Tenard). Le silicium élémentaire pur a été obtenu en 1825 (Suédois J. J. Berzelius). L’élément chimique a reçu son nom « silicium » (traduit du grec ancien par montagne) en 1834 (chimiste russe G. I. Hess).

Le silicium est le plus abondant (après l'oxygène) élément chimique sur Terre (la teneur dans la croûte terrestre est de 28 à 29 % en poids). Dans la nature, le silicium est le plus souvent présent sous forme de silice (sable, quartz, silex, feldspaths), ainsi que dans les silicates et aluminosilicates. Sous sa forme pure, le silicium est extrêmement rare. De nombreux silicates naturels sous leur forme pure sont pierres précieuses: émeraude, topaze, aigue-marine - tout est du silicium. L'oxyde de silicium (IV) cristallin pur se présente sous forme de cristal de roche et de quartz. L'oxyde de silicium, qui contient diverses impuretés, forme des pierres précieuses et pierres semi-précieuses- améthyste, agate, jaspe.

Riz. Structure de l'atome de silicium.

La configuration électronique du silicium est 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 (voir Structure électronique des atomes). Dehors niveau d'énergie Le silicium possède 4 électrons : 2 appariés dans le sous-niveau 3s + 2 non appariés dans les orbitales p. Lorsqu’un atome de silicium passe à un état excité, un électron du sous-niveau s « quitte » sa paire et se déplace vers le sous-niveau p, où se trouve une orbitale libre. Ainsi, à l'état excité, la configuration électronique de l'atome de silicium prend la forme suivante : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3.

Riz. Transition d'un atome de silicium vers un état excité.

Ainsi, le silicium dans les composés peut présenter une valence de 4 (le plus souvent) ou 2 (voir Valence). Le silicium (ainsi que le carbone), réagissant avec d'autres éléments, forme des liaisons chimiques dans lesquelles il peut à la fois céder ses électrons et les accepter, mais la capacité à accepter des électrons dans les atomes de silicium est moins prononcée que dans les atomes de carbone, en raison de la taille plus grande du silicium. atome.

États d'oxydation du silicium :

-4 : SiH 4 (silane), Ca 2 Si, Mg 2 Si (silicates métalliques) ;
+4 - les plus stables : SiO 2 (oxyde de silicium), H 2 SiO 3 (acide silicique), silicates et halogénures de silicium ;
0 : Si (substance simple)

Le silicium comme substance simple

Le silicium est une substance cristalline gris foncé avec un éclat métallique. Silicium cristallin est un semi-conducteur.

Le silicium ne forme qu'une seule modification allotropique, similaire au diamant, mais pas aussi forte, puisque les liaisons Si-Si ne sont pas aussi fortes que dans la molécule de carbone du diamant (voir Diamant).

Silicium amorphe- poudre brune, ayant un point de fusion de 1420°C.

Le silicium cristallin est obtenu à partir du silicium amorphe par recristallisation. Contrairement au silicium amorphe, qui est un produit chimique assez actif, le silicium cristallin est plus inerte en termes d'interaction avec d'autres substances.

La structure du réseau cristallin du silicium répète la structure du diamant - chaque atome est entouré de quatre autres atomes situés aux sommets d'un tétraèdre. Les atomes sont maintenus ensemble par des liaisons covalentes, qui ne sont pas aussi fortes que les liaisons carbone du diamant. Pour cette raison, même au non. Certaines liaisons covalentes dans le silicium cristallin sont rompues, entraînant la libération de certains électrons, ce qui rend le silicium peu conducteur électrique. À mesure que le silicium chauffe, à la lumière ou lorsque certaines impuretés sont ajoutées, le nombre de liaisons covalentes rompues augmente, ce qui entraîne une augmentation du nombre d'électrons libres et donc une augmentation de la conductivité électrique du silicium.

Propriétés chimiques du silicium

Comme le carbone, le silicium peut être à la fois un agent réducteur et un agent oxydant, selon la substance avec laquelle il réagit.

Au non. le silicium n'interagit qu'avec le fluor, ce qui s'explique par le réseau cristallin assez fort du silicium.

Le silicium réagit avec le chlore et le brome à des températures supérieures à 400°C.

Le silicium n'interagit avec le carbone et l'azote qu'à des températures très élevées.

Dans les réactions avec les non-métaux, le silicium agit comme agent réducteur:
- à conditions normales Parmi les non-métaux, le silicium réagit uniquement avec le fluor, formant un halogénure de silicium :
  Si + 2F2 = SiF4
- à haute température, le silicium réagit avec le chlore (400°C), l'oxygène (600°C), l'azote (1000°C), le carbone (2000°C) :
  - Si + 2Cl 2 = SiCl 4 - halogénure de silicium ;
  - Si + O 2 = SiO 2 - oxyde de silicium ;
  - 3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 - nitrure de silicium ;
  - Si + C = SiC - carborundum (carbure de silicium)
Dans les réactions avec les métaux, le silicium est agent d'oxydation(formé salicides:
Si + 2Mg = Mg2Si
Dans les réactions avec des solutions concentrées d'alcalis, le silicium réagit avec la libération d'hydrogène, formant des sels solubles d'acide silicique, appelés silicates:
Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2
Le silicium ne réagit pas avec les acides (sauf HF).

Préparation et utilisation du silicium

Obtention du silicium :

en laboratoire - à partir de silice (aluminothérapie) :
3SiO 2 + 4Al = 3Si + 2Al 2 O 3
dans l'industrie - par réduction de l'oxyde de silicium avec du coke (silicium techniquement pur) à haute température :
SiO 2 + 2C = Si + 2CO
Le silicium le plus pur est obtenu en réduisant le tétrachlorure de silicium avec de l'hydrogène (zinc) à haute température :
SiCl 4 +2H 2 = Si+4HCl

Application du silicium :

production de radioéléments semi-conducteurs;
comme additifs métallurgiques dans la production de composés résistants à la chaleur et aux acides ;
dans la production de photocellules pour batteries solaires ;
comme redresseurs AC.

Jetez un œil au silicium semi-métallique !

Le silicium métal est un métal semi-conducteur gris et brillant utilisé pour fabriquer de l'acier, des panneaux solaires et des puces électroniques.

Le silicium est le deuxième élément le plus abondant la croûte terrestre(derrière seulement l'oxygène) et le huitième élément le plus abondant dans l'Univers. En fait, près de 30 pour cent du poids de la croûte terrestre peut être attribué au silicium.

Élément avec numéro atomique Le 14 est présent naturellement dans les minéraux silicatés, notamment la silice, le feldspath et le mica, qui sont les principaux composants des roches communes telles que le quartz et le grès.

Le silicium semi-métallique (ou métalloïde) possède certaines propriétés des métaux et des non-métaux.

Comme l’eau, mais contrairement à la plupart des métaux, le silicium est piégé à l’état liquide et se dilate à mesure qu’il se solidifie. Il a des points de fusion et d'ébullition relativement élevés et, lors de la cristallisation, il forme des cristaux structure en cristal diamant

La structure atomique de l'élément, qui comprend quatre électrons de valence qui permettent au silicium de se lier facilement à d'autres éléments, est essentielle au rôle du silicium en tant que semi-conducteur et à son utilisation en électronique.

Le chimiste suédois Jones Jacob Berserlius est crédité du premier silicium isolant en 1823. Berzerlius y est parvenu en chauffant du potassium métallique (qui n'avait été isolé que dix ans plus tôt) dans un creuset avec du fluorosilicate de potassium.

Le résultat était du silicium amorphe.

Cependant, il a fallu plus de temps pour obtenir du silicium cristallin. Un échantillon électrolytique de silicium cristallin ne sera pas produit avant trois décennies.

La première utilisation commerciale du silicium a eu lieu sous forme de ferrosilicium.

Suite à la modernisation de l'industrie sidérurgique par Henry Bessemer au milieu du XIXe siècle, la métallurgie métallurgique et la recherche sur la technologie de l'acier ont suscité un grand intérêt.

Au moment du premier production industrielle ferrosilicium dans les années 1880, la valeur du silicium pour améliorer la ductilité de la fonte et désoxyder l'acier était assez bien comprise.

Les premières productions de ferrosilicium se faisaient dans des hauts fourneaux en réduisant les minerais de silicium avec charbon, ce qui a donné naissance à de la fonte argentée, du ferrosilicium avec une teneur en silicium allant jusqu'à 20 pour cent.

Le développement des fours à arc électrique au début du XXe siècle a permis non seulement d’augmenter la production d’acier, mais également celle de ferrosilicium.

En 1903, un groupe spécialisé dans la création de ferroalliages (Compagnie Generate d'Electrochimie) démarre ses activités en Allemagne, en France et en Autriche, et en 1907 la première usine commerciale de silicium est fondée aux États-Unis.

La sidérurgie n’était pas la seule application des composés de silicium commercialisés auparavant fin XIX siècle.

Pour produire des diamants artificiels en 1890, Edward Goodrich Acheson a chauffé de l'aluminosilicate avec du coke en poudre et a produit accessoirement du carbure de silicium (SiC).

Trois ans plus tard, Acheson fait breveter sa méthode de production et fonde la société Carborundum (carborundum, qui est Nom commun pour le carbure de silicium à l'époque) dans le but de fabriquer et de vendre des produits abrasifs.

Au début du 20e siècle, les propriétés conductrices du carbure de silicium avaient également été découvertes et le composé était utilisé comme détecteur dans les premières radios marines. Un brevet pour les détecteurs à cristaux de silicium a été accordé à G. W. Pickard en 1906.

En 1907, la première diode électroluminescente (DEL) a été créée en appliquant une tension à un cristal de carbure de silicium.

Dans les années 1930, l’utilisation du silicium s’est accrue avec le développement de nouveaux produits chimiques, notamment les silanes et les silicones.

La croissance de l’électronique au cours du siècle dernier est également inextricablement liée au silicium et à ses propriétés uniques.

Alors que la création des premiers transistors, précurseurs des micropuces modernes, dans les années 1940 reposait sur le germanium, le silicium n'a pas tardé à supplanter son cousin métallique en tant que matériau de substrat semi-conducteur le plus durable.

Les Bell Labs et Texas Instruments ont commencé la production commerciale de transistors au silicium en 1954.
Les premiers circuits intégrés au silicium ont été fabriqués dans les années 1960 et, dans les années 1970, les processeurs au silicium ont été développés.

Étant donné que la technologie des semi-conducteurs en silicium constitue la base de l'électronique et de l'informatique modernes, il n'est pas surprenant que nous appelions le centre de cette industrie la « Silicon Valley ».

(Pour un examen approfondi de l’histoire et du développement de la technologie et des micropuces de la Silicon Valley, je recommande vivement le documentaire American Experience intitulé « Silicon Valley »).

Peu de temps après la découverte des premiers transistors, les travaux des Bell Labs sur le silicium ont conduit à une deuxième avancée majeure en 1954 : la première cellule photovoltaïque (solaire) au silicium.

Avant cela, l’idée d’exploiter l’énergie du soleil pour créer de l’énergie sur terre était considérée par la plupart comme impossible. Mais à peine quatre ans plus tard, en 1958, le premier satellite doté de silicone panneaux solaires tournait autour de la Terre.

Dans les années 1970, les applications commerciales de la technologie solaire se sont développées pour devenir des applications terrestres telles que l’alimentation de l’éclairage des plates-formes pétrolières offshore et des passages à niveau.

Au cours des deux dernières décennies, l'utilisation énergie solaire a connu une croissance exponentielle. Aujourd’hui, les technologies photovoltaïques au silicium représentent environ 90 % du marché mondial de l’énergie solaire.

Production

La majorité du silicium raffiné chaque année (environ 80 %) est produite sous forme de ferrosilicium destiné à la production de fer et d'acier. Le ferrosilicium peut contenir de 15 à 90 % de silicium selon les besoins de la fonderie.

L'alliage de fer et de silicium est produit à l'aide d'un four à arc électrique submersible par fusion par réduction. Le minerai broyé au gel de silice et une source de carbone telle que le charbon à coke (charbon métallurgique) sont concassés et chargés dans le four avec la ferraille.

À des températures supérieures à 1 900 °C (3 450 °F), le carbone réagit avec l'oxygène présent dans le minerai pour former du monoxyde de carbone. Le fer et le silicium restants, quant à eux, sont ensuite combinés pour produire du ferrosilicium fondu, qui peut être récupéré en tapotant la base du four.

Une fois refroidi et durci, le ferrosilicium peut ensuite être expédié et utilisé directement dans la production de fer et d’acier.

La même méthode, sans incorporer de fer, est utilisée pour obtenir du silicium de qualité métallurgique, pur à plus de 99 %. Le silicium métallurgique est également utilisé dans la fabrication de l'acier, ainsi que dans la production d'alliages de fonte d'aluminium et de produits chimiques à base de silane.

Le silicium métallurgique est classé selon les niveaux d'impuretés de fer, d'aluminium et de calcium présents dans l'alliage. Par exemple, le silicium métal 553 contient moins de 0,5 pour cent de fer et d'aluminium et moins de 0,3 pour cent de calcium.

Le monde produit environ 8 millions de tonnes de ferrosilicium chaque année, la Chine représentant environ 70 % de cette quantité. Les principaux producteurs comprennent Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials et Elkem.

2,6 millions de tonnes supplémentaires de silicium métallurgique, soit environ 20 % du silicium métal raffiné total, sont produites chaque année. La Chine, là encore, représente environ 80 pour cent de cette production.

Ce qui surprend beaucoup, c’est que les qualités solaires et électroniques de silicium ne représentent qu’une petite quantité (moins de deux pour cent) de toute la production de silicium raffiné.

Pour passer au silicium métallique de qualité solaire (polysilicium), la pureté doit augmenter jusqu'à 99,9999 % de silicium pur (6N). Cela se fait de trois manières, la plus courante étant le procédé Siemens.

Le procédé Siemens implique le dépôt chimique en phase vapeur d'un gaz volatil appelé trichlorosilane. À 1 150 °C (2 102 °F), le trichlorosilane est soufflé sur un germe de silicium de haute pureté monté à l'extrémité de la tige. Lors de son passage, le silicium de haute pureté provenant du gaz se dépose sur les graines.

Un réacteur à lit fluidisé (FBR) et une technologie de silicium de qualité métallurgique améliorée (UMG) sont également utilisés pour transformer le métal en polysilicium adapté à l'industrie photovoltaïque.

En 2013, 230 000 tonnes de polysilicium ont été produites. Les principaux fabricants incluent GCL Poly, Wacker-Chemie et OCI.

Enfin, pour rendre le silicium de qualité électronique adapté à l’industrie des semi-conducteurs et à certaines technologies photovoltaïques, le polysilicium doit être converti en silicium monocristallin ultra-pur via le procédé Czochralski.

Pour ce faire, le polysilicium est fondu dans un creuset à 1 425 °C (2 597 °F) dans une atmosphère inerte. Le cristal germe déposé est ensuite plongé dans le métal fondu, puis lentement tourné et retiré, ce qui laisse le temps au silicium de se développer sur le matériau germe.

Le produit résultant est une tige (ou boule) de silicium métallique monocristallin dont la pureté peut atteindre 99,999999999 (11N). Cette tige peut être dopée au bore ou au phosphore si nécessaire pour modifier les propriétés mécaniques quantiques selon les besoins.

La tige monocristalline peut être fournie aux clients telle quelle, ou découpée en tranches et polie ou texturée pour des utilisateurs spécifiques.

Application

Alors qu'environ 10 millions de tonnes de ferrosilicium et de silicium métallique sont raffinées chaque année, la majorité du silicium commercialisé est en réalité des minéraux de silicium, qui sont utilisés pour fabriquer tout, du ciment aux mortiers et céramiques en passant par le verre et les polymères.

Le ferrosilicium, comme indiqué, est la forme de silicium métallique la plus couramment utilisée. Depuis sa première utilisation il y a environ 150 ans, le ferrosilicium est resté un agent désoxydant important dans la production d’acier au carbone et d’acier inoxydable. Aujourd’hui, la sidérurgie reste le plus gros consommateur de ferrosilicium.

Cependant, le ferrosilicium présente de nombreux avantages au-delà de la fabrication de l’acier. Il s'agit d'un pré-alliage dans la production de ferrosilicium magnésium, un nodulateur utilisé pour la production de fonte malléable, et également lors du procédé Pidgeon pour le raffinage du magnésium de haute pureté.

Le ferrosilicium peut également être utilisé pour fabriquer des alliages de fer résistants à la chaleur et à la corrosion, ainsi que de l'acier au silicium, utilisé dans la production de moteurs électriques et de noyaux de transformateurs.

Le silicium métallurgique peut être utilisé dans la production d'acier et également comme agent d'alliage dans moulage d'aluminium. Les pièces automobiles en aluminium-silicium (Al-Si) sont plus légères et plus résistantes que les composants moulés en aluminium pur. Les pièces automobiles telles que les blocs moteurs et les pneus font partie des pièces en fonte d'aluminium les plus couramment utilisées.

Près de la moitié de tout le silicium métallurgique est utilisé industrie chimique pour la production de silice fumante (épaississant et siccatif), de silanes (liant) et de silicone (mastic, adhésifs et lubrifiants).

Le polysilicium de qualité photovoltaïque est principalement utilisé dans la fabrication de cellules solaires en polysilicium. Pour produire un mégawatt de modules solaires, il faut environ cinq tonnes de polysilicium.

Actuellement, la technologie solaire au polysilicium représente plus de la moitié de l’énergie solaire produite dans le monde, tandis que la technologie au monosilicium représente environ 35 %. Au total, 90 % de l’énergie solaire utilisée par l’homme est collectée grâce à la technologie du silicium.

Le silicium monocristallin est également un matériau semi-conducteur essentiel dans l’électronique moderne. En tant que matériau de substrat utilisé dans la production de transistors à effet de champ (FET), de LED et de circuits intégrés, le silicium se retrouve dans presque tous les ordinateurs. téléphones portables, tablettes, téléviseurs, radios et autres appareils de communication modernes.

On estime que plus d’un tiers de tous les appareils électroniques contiennent une technologie de semi-conducteurs à base de silicium.

Enfin, le carbure de silicium est utilisé dans diverses applications électroniques et non électroniques, notamment les bijoux synthétiques, les semi-conducteurs haute température, les céramiques dures, les outils de coupe, les disques de frein, les abrasifs, les gilets pare-balles et les éléments chauffants.