Silicium

Silicium
14 Si
C ↑ Si ↓ Ge Tableau périodique aluminium ← → silicium phosphore
Apparence
cristallin, réfléchissant avec des visages bleutés teinté Raies spectrales de Silicon
Propriétés générales
Nom, symbole, nombre	silicium, Si, 14
Prononciation	/ s ɪ l ɨ k ən / -Je viendrai si je SIL ou / s ɪ l ɨ k ɒ n / -Kon de SIL
Élément Catégorie	métalloïde
Groupe, période, bloc	14, 3, p
Poids atomique standard	28,085 (1)
Configuration électronique	[ Ne ] 3s 2 3p 2 2, 8, 4
Histoire
Prédiction	Antoine Lavoisier (1787)
Découverte	Jöns Jacob Berzelius (1823)
Premier isolement	Jöns Jacob Berzelius (1823)
Nommé par	Thomas Thomson (1817)
Propriétés physiques
Phase	solide
Densité (à proximité rt)	2,3290 g · cm -3
Liquid densité au mp	2,57 g · cm -3
Point de fusion	1687 K , 1414 ° C, 2577 ° F
Point d'ébullition	3538 K, 3265 ° C, 5909 ° F
La chaleur de fusion	50,21 kJ · mol -1
Chaleur de vaporisation	359 kJ · mol -1
Capacité thermique molaire	19,789 J · mol -1 · K -1
La pression de vapeur
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k à T (K) 1908 2102 2339 2636 3021 3537
Propriétés atomiques
États d'oxydation	4, 3, 2, 1 -1, -2, -3, -4 ( l'oxyde amphotère)
Électronégativité	1,90 (échelle de Pauling)
énergies d'ionisation ( plus)	1er: 786,5 kJ · mol -1
	2ème: 1577,1 kJ · mol -1
	3ème: 3231,6 kJ · mol -1
Rayon atomique	111 h
Rayon covalente	111 h
Rayon de Van der Waals	210 h
Miscellanées
Crystal structure	Diamant
Ordre magnétique	diamagnétique
Résistivité électrique	(20 ° C) 10 3 Ω · m
Conductivité thermique	149 W · m -1 · K -1
Dilatation thermique	(25 ° C) de 2,6 um · m -1 · K -1
Vitesse du son (tige mince)	(20 ° C) 8,433 m · s -1
Le module d'Young	130-188 GPa
Module de cisaillement	51-80 GPa
Module Bulk	97,6 GPa
Coefficient de Poisson	0,064 à 0,28
Dureté Mohs	7
Numéro de registre CAS	7440-21-3
Énergie de bande interdite à 300 K	1,12 eV
La plupart des isotopes stables
Article détaillé: Isotopes de silicium
iso N / A demi-vie DM DE ( MeV) DP 28 Si 92,23% Si 28 est stable avec 14 neutrons 29 Si 4,67% Si 29 est stable avec 15 neutrons 30 Si 3,1% Si 30 est stable avec 16 neutrons 32 Si trace 153 y β - 13.020 32 P

Le silicium, un tétravalent métalloïdes, est un élément chimique avec le symbole Si et de numéro atomique 14. Il est moins réactif que son analogue chimique du carbone , la non métallique directement au-dessus de la table périodique , mais plus réactif que le germanium , le métalloïde directement en dessous de la table. La controverse sur les dates de caractères de silicium à sa découverte; il a été d'abord préparé et caractérisé en forme pure en 1823. En 1808, il a été donné le nom de silicium (du latin : Silicis, silex), avec un de suggérer un métal se terminant mot, un nom -ium laquelle l'élément conserve dans plusieurs langues autres que l'anglais. Cependant, sa dernière nom anglais, d'abord proposé en 1817, reflète la plus semblable physiquement éléments carbone et de bore.

Silicon est le huitième plus élément commun dans l'univers en masse, mais très rarement se produit comme élément libre pur dans la nature. Il est le plus largement distribué dans poussières, sables , planétoïdes et planètes que diverses formes de dioxyde de silicium (silice) ou silicates. Plus de 90% de la croûte terrestre est composée de silicates, ce qui rend l'silicium deuxième élément le plus abondant dans la croûte de la Terre (environ 28% en masse) après l'oxygène .

La plupart silicium est utilisé commercialement sans être séparés, et même souvent avec peu de transformation de composés de la nature. Il se agit notamment renforcement utilisation industrielle directe des argiles, le sable de silice et de pierre. Silice est utilisée dans la brique en céramique. Silicate en va Ciment Portland pour mortier et stuc, et lorsqu'il est combiné avec du sable de silice et gravier, de faire béton. Silicates sont également en faïence des céramiques telles que porcelaine, et traditionnelle quartz à base de verre sodo-calcique. Plus de composés du silicium tels que modernes silicium abrasifs de forme de carbure et de la céramique à haute résistance. Le silicium est la base des polymères à base de silicium synthétique appelé ubiquitaires silicones.

Le silicium élémentaire a également un grand impact sur l'économie mondiale moderne. Bien que la plupart du silicium libre est utilisé dans l'affinage de l'acier, de l'aluminium sous pression, et les industries de chimie fine (souvent à faire la silice pyrogénée), la partie relativement petite de silicium très hautement purifié qui est utilisé dans l'électronique à semi-conducteur (<10%) est peut-être encore plus critique. Parce que d'une large utilisation de silicium dans les circuits intégrés , la base de la plupart des ordinateurs, une grande partie de la technologie moderne en dépend.

Le silicium est un élément essentiel de la biologie, mais seulement minuscules traces semblent être requis par les animaux. Cependant, divers éponges de mer ainsi que des micro-organismes comme diatomées besoin silicium afin d'avoir la structure. Il est beaucoup plus important pour le métabolisme des plantes, en particulier de nombreuses graminées.

Caractéristiques

Physique

Le silicium cristallise dans une structure cristalline cubique de diamant

Le silicium est un solide à température ambiante, avec relativement élevée points de fusion et d'environ 1 400 d'ébullition et de 2800 degrés Celsius respectivement. Fait intéressant, le silicium a une plus grande densité à l'état liquide à l'état solide. Il ne se contracte pas quand il gèle comme la plupart des substances, mais élargit, semblable à la façon dont la glace est moins dense que l'eau et a moins de masse par unité de volume que l'eau liquide. Avec un niveau relativement élevé conductivité thermique de 149 W · ^{m -1} · ^{K -1,} le silicium conduit bien la chaleur et en conséquence ne est pas souvent utilisée pour isoler des objets chauds.

Dans son cristallin forme, silicium pur a une couleur gris et un éclat métallique. Comme le germanium , le silicium est assez forte, très fragiles et sujettes à l'écaillage. Silicon, comme le carbone et le germanium, cristallise dans un Diamant la structure cristalline, avec un espacement de réseau de 0.5430710 nm (5.430710 Å).

L'extérieur électron orbital de silicium, comme celui de carbone, a quatre électrons de valence. Les 1 s, 2 s, 2 p et 3 s sous-couches sont complètement remplis tandis que les 3 p sous-couche contient deux électrons sur une possibilité de six.

Le silicium est un semi-conducteur . Il a un coefficient de température négatif de résistance , étant donné que le nombre de porteurs de charge libres augmente avec la température. La résistance électrique de silicium monocristallin change de manière significative sous l'application d'une contrainte mécanique due à la effet piézorésistif.

Chimique

Poudre de silicium

Le silicium est un métalloïde, soit facilement don ou le partage ses quatre électrons externes, permettant de nombreuses formes de liaison chimique. Comme le carbone, il forme généralement quatre liaisons. Contrairement carbone, il peut accepter des électrons supplémentaires et former cinq ou six liaisons dans un parfois plus labile sous forme de silicate. Tetra-valent silicium est relativement inerte, mais réagit toujours avec les halogènes et diluée alcalis, mais la plupart des acides (sauf pour certaines combinaisons hyper-réactif de l'acide nitrique et l'acide fluorhydrique) ne ont pas d'effet connu sur elle. Cependant, ayant quatre électrons de liaison lui donne, comme le carbone, de nombreuses possibilités de combiner avec d'autres éléments ou composés dans les bonnes circonstances.

Isotopes

Naturellement silicium se produisant est composé de trois stables isotopes du silicium, 28, 29 de silicium et le silicium-30, avec du silicium 28 étant le plus abondant (92% du abondance naturelle). Parmi ceux-ci, seul le silicium-29 est d'usage dans RMN et Spectroscopie EPR. Vingt des radio-isotopes ont été caractérisés, à être plus stable le silicium-32 avec une demi-vie de 170 ans et du silicium 31 avec une demi-vie de 157,3 minutes. Tout le reste isotopes radioactifs ont des demi-vies qui sont moins de sept secondes, et la majorité d'entre eux ont des demi-vies qui sont inférieures à un dixième de seconde. Le silicium n'a pas connu isomères nucléaires.

Les isotopes de l'éventail de silicium dans nombre de masse du 22 au 44. Le plus commun mode de six isotopes avec des nombres de masse inférieure à la isotope stable le plus abondant de décroissance, le silicium-28, est β +, formant principalement isotopes d'aluminium (13) en tant protons produits de désintégration. Le mode de décroissance la plus courante (s) pour 16 isotopes avec des nombres de masse plus élevé que le silicium-28 est β -, formant principalement des isotopes de phosphore (15 protons) que les produits de désintégration.

Occurrence

Cluster de Quartz de Tibet . Le minéral d'origine naturelle est un réseau solide avec la formule SiO _2.

Mesuré en masse, le silicium représente 27,7% de la croûte terrestre et est le deuxième élément le plus abondant dans la croûte, avec seulement de l'oxygène ayant une plus grande abondance. Silicon se trouve généralement sous la forme de complexe silicates, et moins souvent que le dioxyde de silicium (silice, une composante majeure de sable commune). Cristaux de silicium purs sont très rarement dans la nature.

Le minéraux divers-silicate minéraux contenant du silicium, de l'oxygène et réactive métaux compte pour 90% de la masse de la croûte de la Terre. Cela est dû au fait que les températures élevées caractéristiques de la formation du système solaire interne, le silicium et l'oxygène ont une grande affinité pour l'autre, formant des réseaux de silicium et d'oxygène dans les composés chimiques de très faible volatilité. Depuis oxygène et le silicium sont les éléments les plus communs non gazeuses et non métalliques dans les débris de la supernova la poussière qui formaient la disque protoplanétaire dans le formation et l'évolution du système solaire, ils ont formé de nombreux silicates complexes qui Accumulée en grande rocheuse planétésimaux qui formaient le planètes telluriques. Ici, la matrice minérale silicate piégé réduit suffisamment les métaux réactifs à oxyder (en aluminium, de calcium, de sodium, de potassium et de magnésium). Après la perte de gaz volatils, ainsi que le carbone et le soufre par réaction avec l'hydrogène, ce mélange silicate formé d'éléments majeure partie de la croûte terrestre. Ces silicates étaient de densité relativement faible par rapport au fer, de nickel et d'autres métaux non-réactives à l'oxygène et donc un résidu du fer non combiné et le nickel ont coulé au noyau de la planète, laissant un épais manteau composé principalement de silicates de magnésium et de fer ci-dessus.

Des exemples de silicates dans la croûte comprennent ceux dans le pyroxène, amphibole, mica et de feldspath groupes. Ces minéraux se produisent dans l'argile et divers types de roche tels que le granit et grès.

La silice se produit dans les minéraux comprenant du dioxyde de silicium très pur sous différentes formes cristallines, quartz , agate améthyste, cristal de roche , calcédoine, silex, jaspe, et opale. Les cristaux ont la formule empirique de dioxyde de silicium, mais ne sont pas constitués de molécules de dioxyde de silicium distincts dans le temps de dioxyde de carbone solide. Au contraire, la silice est structurellement un réseau solide constitué du silicium et de l'oxygène dans les cristaux tridimensionnels, comme le diamant. Silice moins pure forme le verre naturel obsidienne. Silice biogène se produit dans la structure de diatomées, radiolaires et éponges siliceuses.

Le silicium est également un élément principal de nombreux météorites, et est une composante de tectites, un minéral de silicate d'origine éventuellement lunaire, ou (si Terre-dérivé) qui a été soumis à des températures et des pressions inhabituelles, peut-être de grève de la météorite.

Production

Alliages

alliage de ferrosilicium

Ferrosilicium, un alliage de fer et de silicium qui contient des proportions variables de silicium élémentaire et de fer, représente environ 80% de la production mondiale de silicium élémentaire, avec la Chine, le principal fournisseur de silicium élémentaire, fournissant 4,6 millions tonnes (ou 2/3 de la production mondiale) de silicium, dont la plupart est sous la forme de ferrosilicium. Elle est suivie par la Russie (610 000 t), la Norvège (330 000 t), le Brésil (240 000 t) et les États-Unis (170 000 t). Ferrosilicium est principalement utilisé par l'industrie sidérurgique (voir ci-dessous).

Des alliages d'aluminium-silicium sont largement utilisés dans l'industrie du moulage d'alliage d'aluminium, où le silicium est le seul additif le plus important de l'aluminium afin d'améliorer ses propriétés de moulage. Étant donné que la fonte d'aluminium est largement utilisé dans l'industrie automobile, cette utilisation du silicium est donc la plus grande utilisation industrielle unique de "qualité métallurgique" silicium pur (comme ce silicium purifié est ajouté à l'aluminium pur, alors que le ferrosilicium est jamais purifié avant d'être ajouté à l'acier ).

Qualité métallurgique

Le silicium élémentaire non allié avec d'importantes quantités d'autres éléments, et le plus souvent> 95%, est souvent désigné de façon lâche sous forme de métal de silicium. Il représente environ 20% de la production mondiale totale de silicium élémentaire, de moins de 1 à 2% de silicium élémentaire totale (5-10% de silicium de qualité métallurgique) jamais purifié à teneurs plus élevées pour leur utilisation en électronique. Silicium de qualité métallurgique est commercialement préparé par la réaction de haute pureté de la silice avec du bois, du charbon de bois et le charbon dans un Four à arc électrique à l'aide carbone électrodes. A des températures plus de 1900 ° C (3450 ° F), l'atome de carbone dans les matériaux mentionnés ci-dessus et le silicium subissent la réaction chimique SiO ₂ + 2 C → CO 2 + Si. le silicium liquide se accumule dans le fond du four, qui est ensuite égoutté et refroidi. Le silicium produite de cette manière est appelé silicium de qualité métallurgique et est au moins pur à 98%. En utilisant cette méthode, le carbure de silicium (SiC) peut également se former à partir d'un excès de carbone dans une ou des deux manières suivantes:. SiO ₂ + C → SiO + CO ou SiO + 2 C → SiC + CO Toutefois, à condition que la concentration de SiO ₂ est maintenue élevé, le carbure de silicium peut être éliminé par la réaction chimique SiC 2 + SiO ₂ → 3 Si + 2 CO.

Comme indiqué plus haut, le silicium de qualité métallurgique "métal" a son utilisation principale dans l'industrie du moulage d'aluminium pour fabriquer des pièces en alliage d'aluminium-silicium. Le reste (environ 45%) est utilisé par le industrie chimique, où il est principalement utilisée pour faire la silice fumée.

En Septembre 2008, métallurgiques coûts de silicium de grade environ US $ 1,45 par livre ($ 3,20 / kg), en hausse de 0,77 $ la livre (1,70 $ / kg) en 2005.

Qualité électronique

Lingot de silicium monocristallin augmenté par le Procédé de Czochralski

L'utilisation de silicium en semi-conducteur appareils exige une plus grande pureté que donné par le silicium de qualité métallurgique. Silicium très pur (> 99,9%) peut être extraite directement à partir de la silice solide ou d'autres composés du silicium par électrolyse de sel fondu. Cette méthode, connue dès 1854 (voir aussi FFC du processus Cambridge), a le potentiel de produire directement du silicium de qualité solaire sans dioxyde de carbone émission à la consommation d'énergie beaucoup plus faible.

Silicium de qualité solaire ne peut pas être utilisé pour les semi-conducteurs, où la pureté doit être extrême à contrôler correctement le processus. Plaquettes de silicium en vrac utilisés au début du processus de fabrication de circuit intégré doivent d'abord être affinés pour "neuf nines« pureté (99.9999999%), un processus qui nécessite des applications répétées de la technologie de raffinage.

La majorité des cristaux de silicium destinées à la production de l'appareil est produit par la Procédé de Czochralski (CZ-Si) puisque ce est la méthode la plus économique disponible et il est capable de produire de gros cristaux de taille. Cependant, les monocristaux cultivés par le procédé de Czochralski parce que les impuretés contiennent creuset contenant la masse fondue se dissout souvent. Historiquement, un certain nombre de méthodes ont été utilisées pour produire des ultra-haute pureté silicium.

Techniques de purification de silicium début étaient basées sur le fait que si le silicium est fondu et re-solidifié, les dernières parties de la masse pour solidifier contiennent la plupart des impuretés. La première méthode de purification de silicium, décrite pour la première en 1919 et utilisé sur une base limitée pour faire radar composants lors de la Seconde Guerre mondiale , impliqué concassage silicium de qualité métallurgique, puis dissoudre partiellement la poudre de silicium dans un acide. Lorsque écrasé, le silicium fissuré sorte que les régions d'impuretés riches en plus faibles étaient à l'extérieur des grains de silicium résultant. En conséquence, le silicium riche en impuretés est le premier à être dissous lors d'un traitement avec un acide, en laissant derrière un produit plus pur.

En fusion de zone, également appelée zone de raffinage, le premier procédé de purification de silicium pour être largement utilisés industriellement, les tiges de silicium de qualité métallurgique sont chauffés à l'état fondu à une extrémité. Ensuite, l'élément chauffant est déplacé lentement vers le bas la longueur de la tige, en gardant une petite longueur de la tige de fusion comme le silicium se refroidit et se resolidifie derrière elle. Comme la plupart des impuretés ont tendance à rester dans la région fusion plutôt que resolidifier, lorsque le processus est terminé, la plupart des impuretés dans la tige aura été déplacé dans la fin qui a été le dernier à être fondu. Cette extrémité est ensuite coupée et jetée, et le processus est répété si une pureté encore plus élevée est souhaitée.

Un barreau de silicium polycristallin obtenu par le procédé Siemens

À un moment donné, DuPont a produit du silicium ultra pur par réaction avec du tétrachlorure de silicium de haute pureté zinc vapeurs à 950 ° C, production de silicium par SiCl ₄ + 2 Zn → Si + 2 ZnCl _2. Cependant, cette technique a été en proie à des problèmes pratiques (comme le chlorure de zinc sous-produit de solidification et les lignes de colmatage) et a finalement été abandonné en faveur du processus de Siemens . Dans le procédé Siemens, tiges de silicium de haute pureté sont exposés à trichlorosilane à 1150 ° C. Le gaz de trichlorosilane décompose et dépôts silicium supplémentaire sur les tiges, les agrandissant, car deux _HSiCl3 → Si + 2 HCl + SiCl _4. Silicon produite à partir de ce processus et similaires est appelé silicium polycristallin. Le silicium polycristallin a généralement des niveaux de moins d'une partie par milliard d'impuretés.

En 2006 REC a annoncé la construction d'une usine sur la base lit fluidisé (FB) en utilisant la technologie silane: 3 SiCl ₄ + Si + ₂ H 2 → 4 HSiCl _3, 4 _HSiCl3 → 3 SiCl ₄ + ₄ SiH, SiH ₄ → Si + ₂ H 2. L'avantage de la technologie à lit fluidisé est que les processus peuvent être exécutés en continu, ce qui donne des rendements plus élevés que sur le processus Siemens, qui est un processus de traitement par lots.

Aujourd'hui, le silicium est purifié en le convertissant en un silicium composé qui peut être plus facilement purifié par distillation que dans son état initial, et ensuite la conversion de ce composé de silicium dos en silicium pur. Le trichlorosilane est le composé de silicium le plus couramment utilisé en tant que produit intermédiaire, bien le tétrachlorure de silicium et silane sont également utilisés. Lorsque ces gaz sont soufflés au-dessus de silicium à haute température, ils se décomposent en silicium de haute pureté.

En outre, il est le Processus Schumacher, qui utilise tribromosilane en place de trichlorosilane et de la technologie à lit fluidisé. Il nécessite des températures de dépôt inférieurs, des coûts de capital inférieurs à construire des installations et à utiliser, pas de polymères dangereux ni matière explosive, et ne produit aucun déchet de poussière de silicium amorphe, qui sont tous des inconvénients du procédé Siemens. Cependant, il n'y a pas encore y avoir de grandes usines construites utilisant ce processus.

Composés

PDMS - un composé de silicone

• Silicon forme des composés appelés binaires siliciures avec de nombreux éléments métalliques dont les propriétés vont de composés réactifs, par exemple siliciure de magnésium, Mg ₂ Si travers composés réfractaires de fusion élevé tels que disiliciure de molybdène, le MoSi _2.
• Le carbure de silicium, SiC (carborundum) est un disque, point de fusion élevé et un solide bien connu abrasif. Il peut également être frittée en un type de céramique à haute résistance utilisé dans l'armure.
• Silane, SiH _4, est un gaz pyrophorique avec une structure tétraédrique similaire à méthane , CH _4. Quand elle est pure, il ne réagit pas avec de l'eau pure ou les acides dilués; Toutefois, même de petites quantités d'impuretés alcalins du verre de laboratoire peuvent entraîner une hydrolyse rapide. Il existe une gamme d'hydrures de silicium enchaînés qui forment une série homologue de composés, Si _n H _{2 n 2} où n = 2-8 (analogues aux alcanes ). Ce sont tous facilement hydrolyses et sont thermiquement instables, en particulier les membres les plus lourds.
• Disilenes contiennent une double liaison silicium-silicium (analogues aux alcènes ) et sont généralement très réactifs nécessitant de grands groupes substituants pour les stabiliser. Un Disilyne avec un silicium-silicium triple liaison a été isolé pour la première en 2004; bien que le composé ne est pas linéaire, la liaison est différente de celle dans alcynes.
• Tétrahalogénures, SiX _4, sont formés avec tous les halogènes. Le tétrachlorure de silicium, par exemple, réagit avec l'eau, à la différence de son analogue de carbone, le tétrachlorure de carbone . dihalogénures de silicium sont formés par la réaction à haute température et les tétrahalogénures de silicium; avec une structure analogue à un carbène, ils sont des composés réactifs. Difluorure de silicium se condense pour former un composé polymère, (SiF _{2) n.}
• Le dioxyde de silicium est un solide à point de fusion élevé un certain nombre de formes cristallines; le plus familier de ce qui est le minéral quartz . Dans quartz chaque atome de silicium est entouré par quatre atomes d'oxygène qui relient à d'autres atomes de silicium pour former un réseau tridimensionnel. La silice est soluble dans l'eau à des températures élevées une gamme de composés appelés acide monosilicique, Si (OH) _4.
• En vertu de l'acide monosilicique de bonnes conditions se polymérise facilement pour former des acides siliciques plus complexes, allant de l'eau de condensation le plus simple, l'acide disilicic (H ₆ Si ₂ O ₇₎ à linéaire, rubans, couches et treillis structures qui forment la base des nombreux minéraux silicatés et sont appelés acides polysiliciques {Si _{de x} (OH) _{4-2x} n.}
• Avec des oxydes d'autres éléments de la réaction à haute température en dioxyde de silicium peut donner une large gamme de lunettes avec différentes propriétés. Des exemples comprennent verre sodocalcique, verre borosilicate et verre cristal.
• Silicon sulfure, SiS _2, est un solide polymère (contrairement à son analogique de carbone du liquide CS _2).
• Silicium forme un nitrure, Si ₃ N _4, qui est une céramique. Silatranes, un groupe de composés tricycliques à cinq coordinants contenant du silicium, peuvent avoir des propriétés physiologiques.
• De nombreux complexes de métaux de transition contenant une liaison métal-silicium sont maintenant connus, qui comprennent des complexes contenant SiH _n X _{3- n} ligands, des ligands SiX _3, et Si (OR) ₃ ligands.
• Les silicones sont grand groupe de composés polymères d'un (Si-O-Si) squelette. Un exemple est le PDMS à l'huile de silicone (polydiméthylsiloxane). Ces polymères peuvent être réticulés pour produire des résines et élastomères.
• Beaucoup des composés organosiliciés sont connus qui contiennent une liaison simple carbone-silicium. Beaucoup d'entre elles sont basées sur un atome de silicium tétraédrique central, et d'autres sont optiquement actif lorsque central chiralité existe. Les polymères à longue chaîne contenant un squelette de silicium sont connus, tels que polydimethysilylene (SiMe _{2) n.} Polycarbosilane, [(SiMe _{2) 2} CH _{2] n} avec un squelette contenant une unité de répétition -Si-Si-C, est un précurseur dans la production de fibres de carbure de silicium.

Histoire

L'attention a été attirée sur la première silice comme l'oxyde possible d'une fondamentale élément chimique par Antoine Lavoisier , en 1787. Après une tentative d'isoler le silicium en 1808, Sir Humphry Davy a proposé le nom de "silicium" pour le silicium, de la silice latine, pour Silicis silex, silex, et en ajoutant le "-ium" fin parce qu'il croyait que ce était un métal. En 1811, Gay-Lussac et Thénard sont pensé pour avoir préparé impure silicium amorphe, par le chauffage de récemment isolé potassium métal avec tétrafluorure de silicium, mais ils ne ont pas de purifier et de caractériser le produit, ni l'identifier comme un nouvel élément. Silicon a donné son nom actuel en 1817 par le chimiste écossais Thomas Thomson. Il a conservé une partie du nom de Davy, mais a ajouté "-on" parce qu'il croyait que le silicium était un non métallique semblable à de bore et de carbone . En 1823, Berzelius silicium amorphe préparé en utilisant approximativement le même procédé que Gay-Lussac (métal de potassium et le fluorosilicate de potassium), mais en purifiant le produit en une poudre brune en lavant à plusieurs reprises il. En conséquence, il est généralement donné crédit pour la découverte de l'élément.

Silicium dans sa forme cristalline plus fréquente était pas préparé jusqu'à 31 ans plus tard, par Deville. Par électrolyse impur sodium - aluminium chlorure contenant environ 10% de silicium, il a réussi à obtenir un légèrement impur allotrope du silicium en 1854. Plus tard, plusieurs méthodes rentables ont été développés pour isoler silicium dans plusieurs allotrope formes, dont la plus récente silicene.

Parce que le silicium est un élément important dans les semi-conducteurs et appareils de haute technologie, de nombreux endroits dans le monde portent son nom. Par exemple, Silicon Valley en Californie , puisque ce est la base pour un certain nombre d'industries liées à la technologie, porte le nom silicium. Autres zones géographiques ayant des liens avec l'industrie ont depuis été nommé d'après le silicium ainsi. Des exemples comprennent Silicon Forest dans l'Oregon , Silicon Hills dans Austin, Texas, Silicon Saxony en Allemagne , la Silicon Valley en Inde , Silicon Border dans Mexicali, au Mexique, Silicon Fen dans Cambridge, en Angleterre , Silicon Roundabout à Londres , Silicon Glen en Ecosse , et Silicon Gorge Bristol, en Angleterre .

Applications

Composés

La plupart silicium est utilisé industriellement sans être séparés dans l'élément, et en fait souvent avec relativement peu de traitement de présence naturelle. Plus de 90% de la croûte terrestre est composée de silicates. Beaucoup d'entre eux ont des utilisations commerciales directes, comme les argiles, le sable de silice et la plupart des types de pierre de construction. Ainsi, la grande majorité des utilisations de silicium sont les composés de structure, soit comme des silicates ou de la silice (dioxyde de silicium brut). Par exemple, la silice est une partie importante de briques de céramique. Silicates sont utilisés dans la fabrication du ciment Portland qui est utilisé dans le mortier de construction et de stuc, mais plus important combiné avec du sable de silice, et de gravier (contenant généralement des silicates comme le granit), pour faire le béton qui est la base de la plupart des très grand industrielle les projets de construction du monde moderne.

Silicates sont également en céramique pâte blanche, une classe importante de produits contenant habituellement divers types de terre cuite (silicate d'aluminium naturel). Un exemple est la porcelaine qui est basée sur le silicate minéral kaolinite. Céramique comprennent des objets d'art, et, des produits industriels et de construction nationales. Verre sodo-calcique classique à base de quartz fonctionne également dans un grand nombre des mêmes rôles.

Plus de composés de silicium modernes fonctionnent aussi comme abrasifs de haute technologie et de nouvelles céramiques à haute résistance sur la base de ( le carbure de silicium), et superalliages.

L'alternance des chaînes silicium-oxygène avec l'hydrogène lié à du silicium liaisons restantes forment les matériaux polymères à base de silicium connus sous le nom ubiquitaires silicones. Ces composés contenant du silicium-oxygène et de temps en temps des liaisons silicium-carbone ont la capacité d'agir comme intermédiaires de liaison entre le verre et les composés organiques, et pour former des polymères ayant des propriétés utiles, telles que l'imperméabilité à l'eau, la souplesse et la résistance aux attaques chimiques. Les silicones sont souvent utilisés dans les traitements d'étanchéité, Matières à mouler, au moulage agents de démoulage, joints mécaniques, haute température graisses et cires, et composés de calfeutrage. Le silicone est également parfois utilisé dans les implants mammaires, lentilles de contact, explosifs et pyrotechnie. Silly Putty a été initialement faite en ajoutant acide borique huile de silicone.

Alliages

Le silicium élémentaire est ajouté au fondu fonte que ferrosilicium ou silicocalcium alliages pour améliorer les performances dans coulée sections minces et empêchent la formation de cémentite où exposé à l'air extérieur. La présence de silicium élémentaire dans des actes de fer en fusion en tant que puits pour l'oxygène, de sorte que la teneur en carbone de l'acier, qui doit être maintenue dans des limites étroites pour chaque type d'acier, peut être plus étroitement contrôlée. Production et l'utilisation de ferrosilicium est un moniteur de l'industrie de l'acier, et bien que cette forme de silicium élémentaire est impur, il représente 80% de la consommation mondiale de silicium libre.

Les propriétés du silicium lui-même peut être utilisé pour modifier alliages. L'importance de silicium en fonte d'aluminium qui est une quantité nettement plus élevée (12%) de silicium dans l'aluminium forme un mélange eutectique qui se solidifie avec très peu de contraction thermique. Cela réduit considérablement la déchirure et fissures formé du stress que les alliages de coulée refroidir à la solidité. Silicon améliore également de manière significative la dureté et la résistance à l'usure ainsi de l'aluminium. Le silicium est un constituant important de acier électrique, modifiant son résistivité et des propriétés ferromagnétiques.

Silicium de qualité métallurgique est le silicium de 95 à 99% de pureté. Environ 55% de la consommation mondiale de silicium de pureté métallurgique va pour la production d'alliages aluminium-silicium pour une partie de l'aluminium plâtres, principalement pour une utilisation dans le l'industrie automobile. La raison de l'utilisation élevée en silicium dans ces alliages est noté ci-dessus. Une grande partie du reste du silicium de qualité métallurgique est utilisé par l'industrie chimique pour la production du produit industriel important la silice fumée. Le reste est utilisé dans la production d'autres produits chimiques fins tels que silanes et certains types de silicones.

Électronique

Silicon plaquette avec finition miroir

Depuis silicium plus élémentaire produit reste qu'un alliage de ferrosilicium, seule une quantité relativement faible (20%) du silicium élémentaire produit est raffiné à la pureté métallurgique de qualité (un total de 1,3 à 1.500.000 tonnes / an). La fraction de silicium métallique, puis raffinée à la pureté de semi-conducteur est estimée à seulement 15% de la production mondiale de silicium de qualité métallurgique. Cependant, l'importance économique de cette petite fraction de très haute pureté (en particulier le ~ 5% qui est traitée au silicium monocristallin pour une utilisation dans les circuits intégrés) est disproportionnée.

Pur silicium monocristallin est utilisé pour produire du silicium galettes utilisées dans la l'industrie des semi-conducteurs, de l'électronique et dans certains-coût élevé et à haute efficacité applications photovoltaïques. En termes de frais conduction, silicium pur est un semi-conductrice intrinsèque qui signifie que, contrairement à ce conduit métaux trous d'électrons et des électrons qui peuvent être libérés à partir d'atomes dans le cristal par la chaleur, et donc d'augmenter de silicium la conductivité électrique à des températures plus élevées. Silicium pur a une conductivité trop faible (ce est à dire, trop élevé résistivité) pour être utilisé comme un élément de circuit dans l'électronique. Dans la pratique, le silicium pur est dopé avec de petites concentrations de certains autres éléments, un processus qui accroît considérablement sa conductivité et ajuste sa réponse électrique en contrôlant le nombre et la charge ( positive ou négative ) des transporteurs activés. Un tel contrôle est nécessaire pour transistors, cellules solaires, Les détecteurs à semi-conducteurs et autres dispositifs semi-conducteurs , qui sont utilisés dans l'industrie des ordinateurs et d'autres applications techniques. Par exemple, dans la photonique sur silicium, le silicium peut être utilisé comme une onde continue Milieu laser Raman pour produire une lumière cohérente, si elle est inefficace comme une source de lumière tous les jours.

En commun des circuits intégrés , une plaquette de silicium monocristallin sert de support mécanique pour les circuits, qui sont créées par dopage, et isolés les uns des autres par des couches minces d' oxyde de silicium , un isolant qui est facilement produit en exposant l'élément à l'oxygène sous les conditions appropriées. Silicon est devenu le matériau le plus populaire pour construire les deux semi-conducteurs de haute puissance et de circuits intégrés. La raison en est que le silicium est le semi-conducteur qui peut résister aux températures les plus élevées et des puissances électriques sans devenir dysfonctionnel en raison de claquage par avalanche (un procédé dans lequel un avalanche d'électrons est créé par un procédé de réaction en chaîne de sorte que la chaleur produit des électrons et des trous libres, qui à leur tour produisent plus de courant qui produit plus de chaleur). En outre, l'oxyde de silicium isolant ne est pas soluble dans l'eau, ce qui lui confère un avantage par rapport germanium (un élément ayant des propriétés similaires qui peuvent également être utilisés dans des dispositifs à semi-conducteur) dans certains types de techniques de fabrication.

Silicium monocristallin est cher à produire, et ne est généralement justifiée dans la production de circuits intégrés, où les petites imperfections de cristal peuvent interférer avec les chemins de circuits minuscules. Pour d'autres utilisations, d'autres types de silicium pur qui ne existent pas sous forme de cristaux uniques peuvent être utilisés. Il se agit notamment silicium amorphe hydrogéné et amélioré silicium de qualité métallurgique (UMG-Si) qui sont utilisés dans la production de faible coût, l'électronique de grande surface dans des applications telles que écrans à cristaux liquides et de grande surface, à faible coût, à couche mince cellules solaires. Ces qualités de semi-conducteurs de silicium qui sont soit légèrement moins pur que ceux utilisés dans les circuits intégrés, ou qui sont produites dans polycristallin plutôt que sous forme monocristalline, constituent montant à peu près similaire de silicium sont produits pour l'industrie des semi-conducteurs en silicium monocristallin, ou 75 000 à 150 000 tonnes métriques par an. Cependant, la production de ces matériaux augmente plus rapidement que le silicium pour le marché de circuit intégré. En 2013 la production de silicium polycristallin, principalement utilisé dans les cellules solaires, devrait atteindre 200 000 tonnes métriques par année, tandis que la production de semi-conducteur silicium monocristallin (utilisé dans les puces informatiques) reste en dessous de 50 000 tonnes / an.

Rôle biologique

squelettes de silice radiolaires en fausses couleurs.

Bien que le silicium est facilement disponible sous la forme de silicates, très peu d'organismes ont un emploi pour lui. Les diatomées, radiolaires et éponges siliceuses utilisent silice biogène comme matériau de construction pour construire des squelettes. Dans les usines les plus avancées, la silice phytolithes (de phytolithes d'opale) sont des organismes microscopiques rigides qui se produisent dans la cellule; certaines plantes, par exemple le riz , le silicium ont besoin pour leur croissance. Bien que le silicium a été proposé pour être une trace nutriments ultra, sa fonction exacte dans la biologie des animaux est encore en discussion. Organismes supérieurs ne sont connus que de l'utiliser dans des occasions très limitées sous forme de l'acide silicique et silicates solubles.

Le silicium est connu pour être nécessaire pour la synthèse du élastine et collagène; la aorte contient la plus grande quantité d'élastine et de silicium.

Le silicium est actuellement à l'étude pour l'élévation au statut de «planter substance bénéfique par l'Association des officiers de contrôle des aliments usine américaine (AAPFCO)." Silicon a été démontré dans des études universitaires et sur ​​le terrain pour améliorer la résistance de la paroi cellulaire des plantes et de l'intégrité structurelle, d'améliorer la résistance à la sécheresse et le gel, diminuer le potentiel de l'hébergement et de stimuler naturel des ravageurs et des maladies des systèmes de combat de la plante. Silicon a également été montré pour améliorer la vigueur de la plante et de la physiologie par l'amélioration de la masse racinaire et la densité, et l'augmentation de la biomasse végétale au-dessus du sol et le rendement des cultures.

Formes de vie à base de silicium hypothétiques sont l'objet de la biochimie de silicium, par analogie avec carbone à base de formes de vie. Silicon, étant en dessous de carbone dans le tableau périodique, est pensé pour avoir des propriétés assez semblables qui rendraient la vie à base de silicium possible, mais très différente de la vie comme nous la connaissons.