Structure
Ce n’est pas un diagramme de points sur des anneaux — c’est un échantillon de Monte-Carlo de la masse volumique de probabilité réelle |ψ|² pour chaque sous-couche occupée. Faites glisser pour faire pivoter. Le bleu et le violet indiquent les signes opposés de la fonction d’onde, ce qui rend la liaison possible.
Valeurs mesurées
Chaque barre montre où se situe silicium parmi les 118 éléments pour cette propriété.
Sources : masses atomiques standard de l’IUPAC 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Les valeurs marquées ~ sont prédites et non mesurées.
Taille, à l’échelle
Radius 111 pm — that is 0.111 nm, so about 4505 million of them side by side would span a millimetre.
Plage thermique
Silicium is liquid over a 1851 K window, from 1687 K to 3538 K.
L’histoire
Le silicium est l’élément qui a façonné l’ère de l’information et qui constitue la majeure partie du sol sous vos pieds. Après l’oxygène, c’est l’élément le plus abondant de la croûte terrestre, formant la base des roches, du sable et du verre. Mais la véritable révolution du silicium est survenue lorsque les scientifiques ont appris à le purifier à 99.9999999%: ils ont ainsi créé les puces semi-conductrices qui alimentent tous les ordinateurs, smartphones et appareils numériques. Silicon Valley doit son nom à cet élément, capable d’alterner entre conduction et isolation de l’électricité des milliards de fois par seconde. Des fenêtres en verre de l’Antiquité aux panneaux solaires modernes, des puces informatiques aux implants mammaires, le silicium façonne notre monde de multiples façons. Chaque grain de sable sur chaque plage est principalement constitué de dioxyde de silicium, ce qui permet de construire des châteaux avec le même élément que celui qui fait fonctionner votre smartphone.
L'histoire de la découverte du silicium s'étend sur des millénaires, des anciens verriers qui utilisaient sans le savoir des composés du silicium aux chimistes du XIXe siècle qui ont isolé l'élément pur, permettant finalement l'ère numérique qui définit la civilisation moderne.
Les humains ont utilisé des composés du silicium pendant plus de 9 000 ans sans le savoir. Les preuves archéologiques montrent que les civilisations anciennes maîtrisaient la technologie des silicates bien avant de comprendre la théorie atomique.
7000 av. J.-C. : Premières poteries fabriquées à partir d'argiles riches en silicium en Chine et au Moyen-Orient
3500 av. J.-C. : Fabrication de verre en Mésopotamie à partir de sable siliceux et de potasse
1500 av. J.-C. : Des artisans égyptiens créent des récipients en verre ouvragés à partir de dioxyde de silicium
500 av. J.-C. : Le béton romain incorpore des cendres volcaniques (pouzzolane) riches en silice amorphe
Les Romains ont créé sans le savoir certains des bétons les plus durables de l'histoire en utilisant des cendres volcaniques riches en silicium provenant du Vésuve. Le Panthéon de Rome, construit en 126 apr. J.-C., est encore debout aujourd'hui en partie grâce à sa coupole en béton renforcé par du silicium.
L'étude scientifique du silicium a commencé au siècle des Lumières, lorsque les chimistes ont commencé à étudier systématiquement les minéraux et les composés.
Le chimiste français Antoine-Laurent de Lavoisier a été le premier à soupçonner que la silice (SiO₂) contenait un élément inconnu. Dans son ouvrage révolutionnaire de 1789, « Traité élémentaire de chimie », Lavoisier a classé la silice parmi les composés dont il pensait qu'ils contenaient des éléments encore inconnus, jetant les bases de futures tentatives d'isolement.
Plusieurs chimistes européens se sont affrontés pour isoler le silicium pur, ce qui a donné lieu à des revendications contradictoires et à une controverse scientifique qui a duré plus d'une décennie.
Le chimiste britannique Sir Humphry Davy (1778-1829) a tenté pour la première fois d'isoler le silicium en 1808 à l'aide de sa pile électrique récemment inventée. Davy a essayé d'électrolyser la silice, mais n'a réussi qu'à produire une poudre sombre et impure. Bien que la tentative ait échoué, il a créé le nom « silicon » à partir du latin « silex » (silex) et du suffixe « -on » (comme dans carbon et boron).
Les chimistes français Gay-Lussac (1778-1850) et Thénard (1777-1857) ont tenté d'isoler le silicium en chauffant du potassium avec du tétrafluorure de silicium (SiF₄). Ils ont produit une poudre brune qu'ils pensaient être du silicium, mais une analyse ultérieure a révélé qu'elle contenait une quantité importante de composés du silicium plutôt que l'élément pur.
Le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) a réalisé le premier isolement confirmé de silicium pur le 15 mai 1824. Son approche systématique et sa documentation méticuleuse l'ont établi comme le véritable découvreur du silicium.
Berzelius a chauffé du tétrafluorure de silicium (SiF₄) avec du potassium métallique dans un creuset en fer :
SiF₄ + 4K → Si + 4KF
Son innovation consistait à laver le produit avec de l'eau pour éliminer le fluorure de potassium, puis avec de l'acide chlorhydrique dilué pour dissoudre le potassium n'ayant pas réagi, laissant derrière lui du silicium pur. Berzelius a décrit son produit comme « une poudre brune possédant un éclat métallique ».
Citation historique : « J'ai obtenu une masse brunâtre qui, examinée au microscope, semblait constituée de particules métalliques… cette substance est du silicium à l'état métallique. »
Le silicium est resté une curiosité de laboratoire jusqu'à l'apparition d'applications industrielles à la fin du XIXe siècle.
Le chimiste français Henri Sainte-Claire Deville (1818-1881) a amélioré la production de silicium en réduisant la silice avec de la poudre d'aluminium à haute température. Cette méthode a permis de produire du silicium à plus grande échelle, rendant possibles les premières applications commerciales.
Edward Goodrich Acheson (1856-1931) a mis au point le procédé au four électrique pour produire du carbure de silicium (carborundum), puis du silicium pur. Son entreprise, The Carborundum Company, est devenue le premier grand producteur de silicium, fournissant des abrasifs puis des matériaux semi-conducteurs.
La transformation du silicium, qui est passé du statut de nouveauté de laboratoire à celui de matériau définissant la civilisation, a commencé pendant la Seconde Guerre mondiale avec le développement de la technologie radar.
1940 : Russell Ohl, aux Bell Labs, découvre l'effet photovoltaïque dans le silicium
1947 : Premier transistor inventé par Bardeen, Brattain et Shockley (à base de germanium)
1954 : Bell Labs crée la première cellule solaire pratique en silicium (rendement de 6 %)
1958 : Jack Kilby invente le circuit intégré à base de germanium ; Robert Noyce l'améliore avec du silicium
1961 : Les premiers circuits intégrés commerciaux en silicium commencent à être produits
1971 : Intel présente le microprocesseur 4004, le premier ordinateur sur une puce
Aujourd'hui, le silicium permet les communications mondiales, l'intelligence artificielle, les énergies renouvelables et l'exploration spatiale. De la minuscule poudre brune de Berzelius en 1824 aux processeurs contenant des milliards de transistors, le parcours du silicium représente l'une des découvertes les plus transformatrices de la chimie.
Héritage de Berzelius : Le chimiste suédois qui a isolé le silicium n'aurait jamais pu imaginer que sa poudre métallique brune deviendrait le fondement de la plus grande révolution technologique de la civilisation humaine. Chaque smartphone, ordinateur et panneau solaire trouve son origine dans cette journée décisive de 1824, lorsque Berzelius a tenu pour la première fois du silicium pur entre ses mains.
Applications
Les propriétés uniques de semi-conducteur du silicium ont révolutionné la civilisation humaine, ouvrant l’ère numérique et la technologie moderne. Des smartphones aux engins spatiaux, les dispositifs à base de silicium alimentent notre monde interconnecté.
Le silicium domine la fabrication des semi-conducteurs et entre dans la composition de plus de 95 % de toutes les puces informatiques. La structure cristalline de l’élément et ses propriétés électriques contrôlables en font un matériau idéal pour créer des transistors, des diodes et des circuits intégrés.
Tranches de silicium : Des lingots de silicium ultrapur (pureté de 99.9999999 %) sont découpés en tranches de 200-300mm de diamètre et de 0.775mm d’épaisseur. Les derniers processeurs d’Intel utilisent une technologie de fabrication en 3nm, permettant d’intégrer plus de 100 milliards de transistors sur une seule puce.
Processus de dopage : Le silicium pur est « dopé » avec des traces de phosphore (type n) ou de bore (type p) afin de lui conférer des propriétés semi-conductrices. Ce processus implique une implantation ionique à des énergies de 1-200 keV, contrôlant précisément la conductivité électrique.
Photolithographie : Les tranches de silicium subissent une photolithographie utilisant une lumière ultraviolette extrême (EUV) à une longueur d’onde de 13.5nm. Les machines EUV d’ASML, coûtant $200 million chacune, permettent de créer les motifs précis nécessaires aux processeurs modernes.
Les cellules photovoltaïques en silicium convertissent directement la lumière du soleil en électricité grâce à l’effet photovoltaïque. Les panneaux solaires modernes en silicium atteignent une efficacité de 22-26 % dans les applications commerciales.
Les composés du silicium constituent la base de la construction moderne à travers le verre, le béton et les céramiques. Les silicates représentent 90 % de la croûte terrestre et sont des matériaux de construction essentiels.
Les véhicules modernes contiennent plus de 1 000 semi-conducteurs à base de silicium qui contrôlent les moteurs, les systèmes de sécurité et les systèmes multimédias. Les véhicules électriques utilisent des composants électroniques de puissance en carbure de silicium (SiC) pour améliorer leur efficacité.
MOSFET en SiC : La Tesla Model 3 utilise des onduleurs en carbure de silicium fonctionnant à 650V, ce qui améliore l’efficacité énergétique de 5 % et réduit le temps de charge. Le SiC commute à 10 kHz contre 2 kHz pour le silicium, permettant des composants plus petits et plus légers.
Applications des capteurs : Les MEMS en silicium (systèmes microélectromécaniques) créent des accéléromètres, des gyroscopes et des capteurs de pression pour le déploiement des airbags, le contrôle de la stabilité et la surveillance de la pression des pneus.
La technologie du silicium permet la navigation GPS, les communications par satellite et l’exploration spatiale. Les puces en silicium durcies contre les rayonnements résistent à l’environnement hostile de l’espace.
La biocompatibilité du silicium permet les implants médicaux, les équipements de diagnostic et les systèmes d’administration de médicaments. Les propriétés inertes du silicium en font un matériau idéal pour les implantations à long terme.
La technologie du silicium nous entoure sous d’innombrables formes, souvent invisibles mais toujours essentielles. Des alarmes du matin aux divertissements du soir, le silicium rend la vie moderne possible.
Transistors dans le processeur d’un seul iPhone 13
Appareils connectés dans le monde en 2025
Niveau de pureté requis pour le silicium des semi-conducteurs
Valeur du marché mondial des semi-conducteurs (2022)
Un smartphone moyen contient davantage de puissance de calcul que les ordinateurs qui ont guidé Apollo 11 vers la Lune. Ce même téléphone possède plus d’1 milliard de transistors: si chaque transistor était une personne, ils pourraient peupler la Chine avec encore beaucoup de place.
D’où il vient
282000 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 99% of elements
Le silicium est le deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre, avec 27.7% en masse, juste après l’oxygène. Cette abondance fait du silicium le bloc de construction fondamental de la géologie de notre planète et le fondement de toutes les technologies à base de silicium.
Le silicium ne se trouve jamais sous forme métallique pure dans la nature en raison de sa forte réactivité avec l’oxygène. Il forme plutôt d’innombrables minéraux et composés qui constituent littéralement la structure de notre planète.
Le minéral de silicium le plus courant, constituant 12% de la croûte terrestre. On le trouve dans :
Sites remarquables : mines de quartz brésiliennes, gisements de cristaux de l’Arkansas, « diamants » de Herkimer (NY)
Le groupe de minéraux le plus abondant de la croûte terrestre (50-60%), comprenant :
Formation : cristallisation à haute température dans les roches ignées
Produits de l’altération des roches riches en feldspaths :
Importance économique : poterie, couchage du papier, boue de forage
Minéraux silicatés sombres des roches mafiques :
Présence : basalte, gabbro, roches volcaniques
Le voyage cosmique du silicium a commencé dans les noyaux d’étoiles massives lors des processus de combustion de l’oxygène et de combustion du silicium. Lorsque des étoiles dont la masse atteint au moins 8 fois celle de notre Soleil arrivent à la fin de leur vie, elles créent du silicium par fusion nucléaire.
Combustion de l’oxygène (1.5-2 milliards K) : ¹⁶O + ¹⁶O → ²⁸Si + ⁴He
Combustion du silicium (3+ milliards K) : ²⁸Si + ⁴He → ³²S + γ
Lors d’une explosion de supernova, ces noyaux stellaires riches en silicium sont dispersés dans toute la galaxie et finissent par faire partie de nouveaux systèmes stellaires comme le nôtre. Le silicium de votre smartphone a littéralement été forgé au cœur d’une étoile mourante il y a des milliards d’années.
Le silicium a joué un rôle crucial dans la formation des planètes grâce à :
Il y a 4.6 milliards d’années : la condensation de la nébuleuse solaire a formé des grains de poussière riches en silicium
Il y a 4.5 milliards d’années : accrétion de planétésimaux silicatés
Il y a 4.4 milliards d’années : la différenciation du noyau et du manteau terrestres a concentré le silicium dans le manteau
Il y a 4.0 milliards d’années : cristallisation de la première croûte continentale (granite riche en silicium)
Il y a 3.8 milliards d’années : formation de cratons stables avec une structure silicium-aluminium
Le silicium est naturellement présent dans l’eau sous forme d’acide silicique dissous (H₄SiO₄), généralement à des concentrations de 1-30 mg/L. L’eau océanique contient environ 3 mg/L de silicium dissous, essentiel à la croissance des diatomées.
Lien avec Silicon Valley : le célèbre pôle technologique tire son nom des semi-conducteurs en silicium qui y ont été développés, même si, ironiquement, la majeure partie du silicium provient désormais d’Asie et non de Californie.
Manipulation
Le silicium sous sa forme pure et de nombreux composés présentent des risques minimes pour la santé dans des conditions normales. Cependant, certains composés du silicium et certains procédés industriels nécessitent des mesures de sécurité rigoureuses, notamment en cas d’exposition à la silice cristalline.
OSHA PEL : 0.05 mg/m³ (silice cristalline respirable, TWA de 8 heures)
Risque principal : Silicose - maladie pulmonaire progressive et incurable due à l’inhalation de poussières de silice cristalline
Activités à haut risque : Sablage, exploitation minière, extraction en carrière, découpe du béton, fabrication de poteries
Symptômes : Essoufflement, toux persistante, fatigue, douleur thoracique, insuffisance respiratoire (cas avancés)
Évolution : Silicose simple (15-20 ans) → Fibrose massive progressive → Décès
Classification du CIRC : Cancérogène du groupe 1 (silice cristalline d’origine professionnelle)
Types de cancer : Cancer du poumon, et potentiellement maladies rénales et auto-immunes
Facteurs de risque : Durée et intensité de l’exposition, taille des particules, réactivité de surface
Prévention : Mesures de prévention techniques, protection respiratoire, surveillance médicale
Contact avec les yeux : La poussière de silicium peut provoquer une irritation mécanique et une abrasion de la cornée
Contact avec la peau : Généralement non irritant, mais les poussières abrasives peuvent provoquer des coupures ou une irritation mécanique
Ingestion : De grandes quantités peuvent provoquer une irritation gastro-intestinale, mais pas de toxicité systémique
Manipulation des plaquettes de silicium : Les bords tranchants peuvent provoquer des lacérations ; utiliser des outils de manipulation appropriés et des gants résistants aux coupures
Exposition aux produits chimiques : Le traitement du silicium implique de l’acide fluorhydrique, ce qui exige des protocoles de sécurité spécialisés
Opérations à haute température : La fusion du silicium (1414°C) nécessite une protection thermique et des procédures d’urgence
Mesure à prendre : Rincer immédiatement à l’eau propre pendant 15 minutes. Retirer les lentilles de contact si elles peuvent être retirées facilement. Ne pas se frotter les yeux.
Soins médicaux : Consulter immédiatement un médecin si l’irritation persiste ou si des particules sont incrustées dans l’œil.
Mesure immédiate : Transporter immédiatement la personne à l’air frais. L’éloigner de la source d’exposition aux poussières.
Réponse médicale : En cas de difficultés respiratoires, administrer de l’oxygène et transporter la personne vers un établissement médical.
Documentation : Consigner les détails de l’exposition pour l’évaluation médicale et l’indemnisation des travailleurs.
Exposition mineure : Laver à l’eau et au savon. Retirer les vêtements contaminés.
Lacérations : Arrêter le saignement, nettoyer la plaie et appliquer un pansement stérile. Les fragments tranchants de silicium peuvent nécessiter un retrait médical.
Mesure à prendre : Rincer la bouche à l’eau. Ne pas provoquer de vomissements, sauf sur indication du personnel médical.
Grandes quantités : Consulter un médecin si des quantités importantes ont été ingérées ou si des symptômes apparaissent.
• Le silicium présent dans les appareils électroniques grand public (téléphones, ordinateurs) ne présente aucun risque pour la santé lors d’une utilisation normale
• Les ustensiles de cuisine en silicium et le silicone de qualité alimentaire sont sûrs au contact des aliments
• Les panneaux solaires contiennent du silicium encapsulé qui ne présente pas de risque d’exposition
• Les produits en verre (dioxyde de silicium) peuvent être utilisés sans danger au quotidien
Réponses rapides
Silicium (symbol Si) is element 14 on the periodic table, a métalloïde in period 3, group 14. The element that turned sand into civilisation's substrate: every processor you have ever used is a slab of ultrapure silicon. At room temperature it is a solid.
[Ne] 3s² 3p², giving 3 occupied shells holding 2, 8, 4 electrons respectively. Its outer shell holds 4 electrons, which is what sets its bonding behaviour.Silicium melts at 1687 K (1413.9 °C) and boils at 3538 K (3264.9 °C).
The standard atomic weight of Silicium is 28.085 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Silicium has a density of 2.33 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of silicium is about 2.3× heavier.
Silicium has a Pauling electronegativity of 1.9. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
Silicium was discovered in 1824 by Jons Jacob Berzelius. It is named after latin silex, "flint".
Silicium makes up about 28.2% of the Earth's crust — one of the most abundant elements there is.