Si · Élément 14 · Métalloïde
L’élément qui a transformé le sable en matériau de base de la civilisation : chaque processeur que vous avez utilisé est une plaque de silicium ultrapur.
Structure
Il ne s’agit pas d’un diagramme de points sur des anneaux — mais d’un échantillon de Monte-Carlo de la véritable densité de probabilité |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 indique 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 plutôt que mesurées.
Taille, à l’échelle
Rayon de 111 pm — soit 0,111 nm ; il en faudrait donc environ 4,5 millions côte à côte pour couvrir un millimètre.
Plage thermique
Silicium est liquide dans une plage de 1851 K, de 1687 K à 3538 K.
L’histoire
Le silicium est l’élément qui a façonné l’ère de l’information et constitue la majeure partie du sol sous vos pieds. Après l’oxygène, c’est l’élément le plus abondant de la croûte terrestre: il forme la structure essentielle des roches, du sable et du verre. Mais la véritable révolution du silicium a commencé lorsque les scientifiques ont appris à le purifier à 99.9999999% — créant ainsi les puces semi-conductrices qui alimentent tous les ordinateurs, smartphones et appareils numériques. Silicon Valley tire son nom de cet élément, capable d’alterner entre conduction et isolation de l’électricité des milliards de fois par seconde. Des fenêtres en verre anciennes 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: les châteaux de sable sont donc faits du même élément que celui qui fait fonctionner votre smartphone.
L’histoire de la découverte du silicium s’étend sur des millénaires : des verriers de l’Antiquité qui utilisaient sans le savoir des composés du silicium aux chimistes du XIXe siècle qui ont isolé l’élément pur, ouvrant finalement la voie à 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 découvertes archéologiques montrent que les civilisations anciennes maîtrisaient la technologie des silicates bien avant de comprendre la théorie atomique.
7000 BCE : Premières poteries fabriquées à partir d’argiles riches en silicium en Chine et au Moyen-Orient
3500 BCE : Fabrication de verre mésopotamienne utilisant du sable siliceux et de la potasse
1500 BCE : Des artisans égyptiens créent des récipients en verre ouvragés à partir de dioxyde de silicium
500 BCE : 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 mont Vésuve. Le Panthéon de Rome, construit en 126 CE, existe encore aujourd’hui en partie grâce à son dôme en béton renforcé au silicium.
L’étude scientifique du silicium a commencé au siècle des Lumières, lorsque les chimistes ont entrepris d’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 répertorié la silice parmi les composés qu’il croyait contenir des éléments encore inconnus, jetant les bases des futures tentatives d’isolement.
Plusieurs chimistes européens se sont affrontés pour isoler le silicium pur, ce qui a entraîné des revendications contradictoires et 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 la pile électrique qu’il venait d’inventer. Davy a essayé d’électrolyser la silice, mais n’a réussi à produire qu’une poudre sombre et impure. Bien que sa 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 ».
Récit historique : « J’ai obtenu une masse brunâtre qui, examinée au microscope, semblait composée 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, de nouveauté de laboratoire en matériau qui définit 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 (à base de germanium) par Bardeen, Brattain et Shockley
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 rend possibles les communications mondiales, l’intelligence artificielle, les énergies renouvelables et l’exploration spatiale. De la minuscule poudre brune de Berzelius en 1824 aux processeurs dotés de milliards de transistors, le parcours du silicium représente l’une des découvertes les plus transformatrices de la chimie.
L’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, permettant l’ère numérique et les technologies modernes. Des smartphones aux engins spatiaux, les appareils à base de silicium alimentent notre monde interconnecté.
Le silicium domine la fabrication des semi-conducteurs et constitue plus de 95 % de toutes les puces informatiques. La structure cristalline de l’élément et ses propriétés électriques contrôlables le rendent idéal pour créer des transistors, des diodes et des circuits intégrés.
Tranches de silicium : des lingots de silicium ultrapurs (99.9999999 % de pureté) sont découpés en tranches de 200-300 mm de diamètre et de 0.775 mm d’épaisseur. Les derniers processeurs d’Intel utilisent une technologie de procédé de 3 nm, permettant d’intégrer plus de 100 milliards de transistors sur une seule puce.
Procédé de dopage : le silicium pur est « dopé » avec des traces de phosphore (type n) ou de bore (type p) afin de créer des propriétés semi-conductrices. Ce procédé implique une implantation ionique à des énergies de 1-200 keV, contrôlant précisément la conductivité électrique.
Photolithographie : les tranches de silicium sont soumises à une photolithographie utilisant une lumière ultraviolette extrême (EUV) à une longueur d’onde de 13.5 nm. Les machines EUV d’ASML, coûtant $200 millions chacune, permettent le dessin précis nécessaire 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 grâce au verre, au béton et aux 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 l’infodivertissement. 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 650 V, améliorant l’efficacité énergétique de 5 % et réduisant le temps de recharge. 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 déclenchement 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 aux conditions extrêmes 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 le rendent idéal pour une implantation à long terme.
La technologie du silicium nous entoure sous d’innombrables formes, souvent invisibles mais toujours essentielles. Du réveil matinal 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 d’ici 2025
Niveau de pureté requis pour le silicium des semi-conducteurs
Valeur du marché mondial des semi-conducteurs (2022)
Un smartphone moyen contient une puissance de calcul supérieure à celle des ordinateurs qui ont guidé Apollo 11 jusqu’à la Lune. Ce même téléphone possède plus de 1 milliard de transistors : si chaque transistor était une personne, ils pourraient peupler la Chine avec encore beaucoup de place disponible .
D’où il vient
282000 mg/kg de la croûte terrestre · plus abondant que 99 % des éléments
Le silicium est le deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre, avec 27,7 % en masse, 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 grande réactivité avec l’oxygène. Il forme au contraire d’innombrables minéraux et composés qui construisent littéralement la structure de notre planète.
Le minéral de silicium le plus courant, constituant 12 % de la croûte terrestre. On le trouve dans :
Localisations remarquables : mines de quartz brésiliennes, gisements de cristaux de l’Arkansas, « diamants » de Herkimer (NY)
Groupe de minéraux le plus abondant dans 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 :
Occurrence : Basalte, gabbro, roches volcaniques
Le voyage cosmique du silicium a commencé dans les noyaux des étoiles massives, au cours des processus de combustion de l’oxygène et de combustion du silicium. Lorsque les étoiles dont la masse est au moins 8 fois supérieure à 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 billion K) : ¹⁶O + ¹⁶O → ²⁸Si + ⁴He
Combustion du silicium (3+ billion 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 par :
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 dotés d’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 la Silicon Valley : Le célèbre pôle technologique tire son nom des semi-conducteurs en silicium qui y ont été développés, bien qu’ironiquement la majeure partie du silicium provienne aujourd’hui d’Asie et non de Californie.
Manipulation
Le silicium sous sa forme pure et de nombreux composés présentent des risques sanitaires minimes dans des conditions normales. Cependant, certains composés du silicium et procédés industriels nécessitent des mesures de sécurité rigoureuses, notamment en cas d’exposition à la silice cristalline.
VLE OSHA : 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, douleurs thoraciques, 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 irritante, 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 les outils de manipulation appropriés et des gants résistants aux coupures
Exposition aux produits chimiques : Le traitement du silicium fait intervenir de l’acide fluorhydrique, ce qui nécessite 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.
Intervention médicale : En cas de difficultés respiratoires, administrer de l’oxygène et transporter la personne dans 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 de silicium tranchants peuvent nécessiter un retrait médical.
Mesure à prendre : Rincer la bouche avec de l’eau. Ne pas provoquer de vomissements sauf sur instruction 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 sanitaire dans le cadre d’une utilisation normale
• Les ustensiles de cuisine en silicium et le silicone de qualité alimentaire sont sans danger 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) sont sans danger pour un usage quotidien
Réponses rapides
Silicium (symbole Si) est l’élément 14 du tableau périodique, un métalloïde de la période 3, du groupe 14. L’élément qui a transformé le sable en matériau de base de la civilisation : chaque processeur que vous avez utilisé est une plaque de silicium ultrapur. À température ambiante, c’est un solide.
[Ne] 3s² 3p² ; elle comporte 3 couches occupées, avec la répartition 2, 8, 4. Sa couche externe contient 4 électrons, ce qui détermine son comportement en matière de liaisons.Silicium fond à 1687 K (1413.9 °C) et bout à 3538 K (3264.9 °C).
La masse atomique standard de Silicium est de 28.085 u. Il s’agit d’une moyenne pondérée de ses isotopes présents naturellement, ce qui explique qu’elle soit rarement un nombre entier.
Silicium a une masse volumique de 2.33 g/cm³. L’eau a une masse volumique de 1.0 g/cm³ ; un bloc de Silicium est donc environ 2.3× plus lourd.
Silicium a une électronégativité de Pauling de 1.9. L’échelle va de 0.70 (le francium, le moins attiré par les électrons) à 3.98 (le fluor, le plus attiré). Les valeurs de cette plage intermédiaire tendent à former des liaisons covalentes plutôt que des liaisons fortement ioniques.
Silicium a été découvert en 1824 par Jons Jacob Berzelius. Il porte le nom de latin silex, « silex ».
Silicium constitue environ 28.2 % de la croûte terrestre — c’est l’un des éléments les plus abondants qui soient.