SimplyScience: Silicium (Si)

Le quarz, un étrange prisme aux propriéts intéressantes

Son oxyde, SiO₂ est aussi connu sous le nom de silice, qui dérive du mot latin silex. Combiné ou non, il constitue la plus grande partie des roches, de l’argile et du sable présent sur la Terre. A l’état pur et bien cristallisé, il forme le quartz, dont l’étrange prisme transparent est terminé en une pyramide irrégulière. Le quartz a de nombreuses propriétés physiques intéressantes:

C’est d’abord le minéral le plus dur connu, après le diamant.

Quartz. (Image: Didier Descouens/Wikimedia Commons)

Scié perpendiculairement à son axe principal, il forme des lames qui ont l’étrange propriété d’être piézoélectriques. Leur compression fait apparaître des charges électriques de signe contraire sur les deux faces, ce qui peut créer un petit courant électrique si on relie ces deux faces par un fil électrique.
Mais si on relâche brusquement la pression, le retour à l’état initial se fait par une suite de vibrations qui s’effectuent 32’768 fois par seconde. Et cette valeur numérique, qui ne varie pas avec la température, est l’élément de base qui permet de faire les montres dites à quartz.
Inversément, si on applique un champ électrique à cette lame de quartz, elle se comprime, et ce phénomène a été découvert par Pierre Curie.
Le quartz fond à 1650°C, et sa solidification donne du verre de quartz, qui a la propriété utile de ne pratiquement pas se dilater avec l’élévation de température. Il supporte donc des chocs thermiques énormes sans se briser. On en fait des lampes halogènes à haute température, et de la verrerie de laboratoire.
Le verre de quartz a encore la propriété d’être plus transparent que le verre ordinaire. On l’emploie pour fabriquer des fibres optiques, capables de transmettre des signaux lumineux ou ultra-violets sur des centaines de kilomètres.
Mélangé avec 20% de chaux et 10% de soude, il forme le verre ordinaire ou verre à vitre, qui a la propriété intéressante de fondre à beaucoup plus basse température que le quartz, aux alentours de 800°C. Il existe de nombreuses sortes de verre, dont le verre dit cristal qui contient du plomb Pb, et le pyrex qui contient du bore B. Si le verre contient de l’alumine Al₂O₃, il perd sa transparence et devient une céramique.

La silice forme des minéraux très variés en combinaison avec d’autres oxydes. Ex.: mica, feldspaths, olivine, talc, kaolin, zéolithes, grenats, tourmaline, béryl, orthose, argiles, etc. Le ciment habituel est un silicate de calcium impur obtenu en fondant de l’argile et de la chaux à 1200°C. Sous l’action de l’eau, ce silicate se décompose en formant de la chaux éteinte et un autre silicate, où apparaissent des liaisons Si-O-Si.

Sans silicium, plus d'appareils électroniques...

Cellule photovoltaïque en silicium — Le silicium est fondamental dans les systèmes électriques modernes et dans les cellules photovoltaïques (Image: Wikimedia Commons/ Rogilbert)

Quant au silicium proprement dit, c’est un matériau fondamental en électronique. En effet, plus il est pur, plus il est isolant. En dosant les impuretés résiduelles, on obtient un matériau semi-conducteur, qui permet la réalisation de diodes, de transistors, de cellules photovoltaïques, et de tous les éléments qu’utilise l’électronique moderne comme les circuits intégrés, les puces et les mémoires d’ordinateurs.

Mais chimiquement parlant, les molécules à base du Silicium sont moins importantes. Les plus connues sont peut-être les dérivés dits silicones, où chaque atome de silicium est lié à 2 atomes de carbone et à deux atomes d’oxygène, lesquels font des ponts Si-O-Si. Les silicones forment des matériaux sans effet chimique sur l’eau, les bases, les acides ou les oxydants. On en fait des mastics, des joints, des gaines isolantes, des agents de démoulage, des lubrifiants, des matériaux et vernis antiadhésifs, du matériel médical et même des implants mammaires.

Pour découvrir les propriétés et les utilisations d'autres éléments chimiques, regarde notre dossier «Eléments chimiques au quotidien».

Texte: Maurice Cosandey et Rédaction SimplyScience.ch

Créé: 03.12.2015