Synthèse industrielle du silicium technique
À l'échelle industrielle, le silicium est obtenu en utilisant des températures élevées dans des fours électriques spécialisés. Le dioxyde de silicium ($SiO_2$) sert de matière première, et le carbone (généralement sous forme de charbon) agit comme agent réducteur.
Le principe du processus réside dans le fait que le carbone, lors d'un chauffage intense, arrache l'oxygène au dioxyde de silicium. Il en résulte la formation de silicium libre et le dégagement de monoxyde de carbone qui quitte la zone de réaction :
$$SiO_2 + 2C = Si + 2CO\uparrow$$
Cette méthode est économique, mais le produit ainsi obtenu contient une quantité importante d'impuretés et ne convient pas aux productions de haute technologie.
Synthèse du silicium de haute pureté
La fabrication de dispositifs à semi-conducteurs nécessite du silicium avec une teneur minimale en atomes étrangers. La méthode industrielle de réduction par le charbon ne convient absolument pas à ces fins.
Le silicium de haute pureté est obtenu par une voie détournée, en passant par des halogénures. Le chlorure de silicium ($SiCl_4$) sert de substance de départ. Un métal alcalin, le sodium ($Na$), est utilisé comme agent réducteur puissant. Au cours de l'interaction chimique, le sodium se lie au chlore, libérant du silicium pur :
$$SiCl_4 + 4Na = Si + 4NaCl$$
L'élément obtenu possède les propriétés semi-conductrices nécessaires et peut être utilisé en électronique.
Obtention et purification en laboratoire
En laboratoire de chimie, le silicium libre est obtenu par la méthode aluminothermique (magnésérothermique). Pour cela, on utilise des réactifs accessibles : du sable blanc pur (qui est du dioxyde de silicium $SiO_2$) et de la poudre de magnésium métallique ($Mg$).
Déroulement de l'expérience :
- Les substances initiales sont mélangées minutieusement.
- La réaction est initiée par ignition (il est pratique d'utiliser un ruban de magnésium en combustion comme amorce).
- Il se produit une vive réaction exothermique dans laquelle le magnésium réduit le silicium :
$$SiO_2 + 2Mg = Si + 2MgO$$
Purification du produit : Une fois la réaction terminée, il se forme un mélange contenant le silicium recherché et un sous-produit, l'oxyde de magnésium ($MgO$). Pour isoler l'élément pur, la masse obtenue est traitée avec une solution d'acide chlorhydrique ($HCl$). L'acide dissout l'oxyde de magnésium tout en laissant le silicium intact. Après filtration et lavage, le silicium se sépare sous la forme d'une poudre gris foncé caractéristique. Dans cet état, il est appelé silicium amorphe.
Processus secondaires et formation de silane
La synthèse en laboratoire utilisant le magnésium se déroule rarement de manière idéale. Parallèlement à la réaction principale de réduction du dioxyde de silicium, une partie du réducteur entre en interaction avec le silicium formé. Cela conduit à l'apparition d'une impureté indésirable : le siliciure de magnésium ($Mg_2Si$).
La présence de siliciure de magnésium est détectée lors de l'étape de purification acide du mélange. Lorsque l'acide chlorhydrique entre en contact avec le $Mg_2Si$, il se produit une réaction de décomposition accompagnée du dégagement d'un gaz :
$$Mg_2Si + 4HCl = SiH_4\uparrow + 2MgCl_2$$
Le gaz dégagé s'appelle le silane ($SiH_4$). C'est un composé hydrogéné du silicium qui, par sa structure chimique, est l'analogue structural complet du méthane ($CH_4$), l'atome de carbone central y étant remplacé par un atome de silicium.
En bref : réponses aux questions sur le sujet
Quelles sont les modifications allotropiques existantes du silicium libre ?
Le silicium libre ne possède pas de modifications allotropiques, il ne forme qu'une seule substance simple. Contrairement au carbone, le silicium est représenté par une seule substance qui possède un réseau cristallin de type diamant. Extérieurement, il s'agit d'un matériau cassant, gris foncé, avec un éclat métallique. Lors de l'obtention en laboratoire par réduction de l'oxyde de silicium par le magnésium, il se forme une poudre gris foncé traditionnellement appelée silicium amorphe.
Quelle maladie professionnelle pulmonaire se développe lors de l'inhalation prolongée de poussière de dioxyde de silicium ?
La silicose se développe lors de l'inhalation prolongée de poussière de dioxyde de silicium. Cette maladie professionnelle appartient au groupe des pneumoconioses. Tous les types de pneumoconioses se caractérisent par le développement d'une pneumofibrose pulmonaire. Le dioxyde de silicium possède des propriétés immunogènes prononcées, et le dioxyde de silicium cristallin est classé parmi les cancérogènes professionnels.
Si le dioxyde de silicium ne se trouve pas à l'état libre, mais à l'état lié avec d'autres éléments, il se développe des silicatoses, qui sont des pneumoconioses causées par des poussières contenant des silicates. Celles-ci comprennent, par exemple, l'asbestose et la talcose.
Questions des cours et des examens
Pourquoi le silicium destiné aux semi-conducteurs n'est-il pas obtenu par réduction au charbon dans les fours ?
Le processus dans les fours électriques impliquant du charbon produit du silicium technique pollué par des impuretés de carbone et d'autres éléments. La microélectronique exige une pureté parfaite, que seule assure la réduction du chlorure de silicium par le sodium.
Pourquoi utilise-t-on de l'acide chlorhydrique lors de l'obtention du silicium en laboratoire ?
L'acide chlorhydrique est nécessaire pour purifier le produit final. Il dissout le sous-produit oxyde de magnésium ($MgO$) et les impuretés de siliciure de magnésium, laissant une poudre insoluble de silicium amorphe pur de couleur gris foncé.
Qu'est-ce que le silane et dans quelles conditions se forme-t-il en laboratoire ?
Le silane ($SiH_4$) est un composé hydrogéné du silicium, analogue au méthane. Il est libéré sous forme de gaz comme sous-produit lors de l'étape de purification, lorsque l'acide chlorhydrique détruit l'impureté de siliciure de magnésium ($Mg_2Si$) formée.
À étudier également sur le sujet
- Structure et propriétés du silicium amorphe par rapport au silicium cristallin
- Caractéristique comparative du silane ($SiH_4$) et du méthane ($CH_4$)
- Propriétés chimiques et applications du chlorure de silicium ($SiCl_4$)
- Nature de la liaison chimique dans les siliciures métalliques
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