ASPECTS GÉNÉRAUX DE L’ÉLÉMENT SILICIUM (SI)
Physicochimie de l’élément silicium
Le silicium est un métalloïde de masse atomique = 28.
Il occupe le n°14 dans le classement périodique des éléments.
Le silicium appartient au même groupe de la classification que le carbone, avec lequel il a donc des points communs, notamment la tétravalence (c’est-à-dire la capacité de former 4 liaisons covalentes), cependant il se comporte différemment.
Le carbone forme des liaisons covalentes fortes, ce qui donne une vraie stabilité aux molécules organiques. Le silicium forme des liaisons covalentes plutôt souples, ce qui donne une certaine stabilité à ses dérivés. Dans les laboratoires de chimie organique, il est souvent utilisé comme transporteur de radicaux qu’il peut céder à une chaîne carbonée (molécule organique).
Les dérivés solubles du silicium ont une souplesse de transformation qui explique certaines de leurs propriétés spécifiques.
À l’état naturel, on trouve toujours le silicium sous forme oxydée. Il a une forte affinité pour l’oxygène dont il est un puissant fixateur. La silice et les silicates cèdent très difficilement leur oxygène.
Solubilité du silicium
La solubilité est une condition indispensable à l’activité biologique.
Les dérivés du silicium sont peu solubles. Leur solubilité est liée à l’abondance des groupements Si - OH et leur accessibilité à l’extérieur de la molécule. En leur absence totale comme dans le quartz, la dissolution est pratiquement nulle.
La silice subit dans l’eau une faible hydrolyse qui aboutit à la formation d’acide orthosilicique Si(OH)4, faiblement acide et stable à pH neutre. Cette molécule est la forme de transport du silicium dans le milieu naturel, qui permet sa présence dans l’eau.
L’acide silicique, qui est en fait de l’acide monosilicique, comme la silice a tendance à se polymériser formant de l’acide disilicique (OH)3 - Si - O - Si - (OH)3 puis trisilicilique, puis des acides oligosiliciques (association de quelques molécules) qui deviennent finalement polysiliciques (association de nombreuses molécules). Ils augmentent alors la viscosité du milieu et s’agglomèrent, devenant insolubles.
Dérivés du silicium
Le Silicium à l’état pur est rare. On le trouve sous diverses formes que l’on peut répartir en trois familles :
Le Silicium minéral cristallisé
Il s’agit de composés oxydés : la silice (SiO2) et silicates (SiO44- ; SiO4H3- ; SiO4H22- ; SiO4H3-)
La silice n’est jamais pure, elle est toujours associée à divers composants métalliques qui entrent dans la structure et font les nombreuses diversités de ses formes.
Les silicates sont des anions qui se lient à divers cations métalliques (sodium, potassium, magnésium...) Silice et silicates se polymérisent spontanément en polymères très denses.
Le Silicium minéral soluble : l’acide silicique
En milieu liquide, les dérivés minéraux du silicium sont en équilibre avec des formes solubles, les acides siliciques, en particulier Si(OH)4 appelé acide orthosilicique.
La neutralisation de l’acide par un métal alcalin (Na, K, Mg...) donne un silicate.
La proportion de forme soluble est toujours faible en rapport à la proportion qui reste insoluble. L’acide silicique réagit avec le groupe amine des protéines et le groupe ester phosphate des phospholipides. Le silicium peut ainsi s’incorporer dans certaines protéines et agir avec les structures membranaires cellulaires.
Le Silicium organique
Le silicium devient organique dès lors que l’une au moins des liaisons covalentes de l’atome de silicium implique une molécule organique carbonée.
Silanol : R3 - Si - OH Silane-diol : R2 - Si - (OH)2 Le radical R est généralement du méthyl Silane triol : R - Si - (OH)3 Les végétaux sont capables de synthétiser le silicium organique, mais en quantité faible. On peut en trouver à la surface des grains de sables où il peut se former à partir de la silice par l’action connue ou (mal connue) de différents microorganismes.
Les dérivés organiques du silicium organique sont particulièrement solubles dans l’eau. Ils apprécient le milieu acide et supportent un pH légèrement alcalin. En milieu plus fortement alcalin, ils peuvent précipiter. Ils sont très réactifs avec le verre, les métaux. Ils sont sensibles au chaud, au froid, aux chocs thermiques et à la lumière.
Présence du silicium dans l’environnement
Le silicium est très abondant dans la nature, c’est le deuxième élément après l’oxygène, représentant 28% de l’écorce terrestre.
On le trouve abondamment dans le monde minéral, où il joue un rôle structurant essentiel (comme le carbone dans la matière organique). On le trouve également dans les végétaux et les animaux où il occupe une place secondaire, le plus souvent liée à la structure ou à la protection.
Présence du silicium au sein du règne minéral
On le trouve sous forme cristallisée de silice ou silicates complexes.
silice : sable, silex, quartz, pierres précieuses... silicates ou aluminosilicates sont des molécules plus ou moins complexes associant le silicium, l’aluminium, l’oxygène, à des métaux alcalins (Ca, Mg, K...), abondants au niveau de l’écorce terrestre.
Présence du silicium dans le monde végétal
Les plantes puisent le silicium dans le sol. On le retrouve sous deux formes :
Une forme insoluble correspondant à la polymérisation de l’acide silicique. On trouve ces polymères au niveau de l’épiderme où ils jouent un rôle de consolidation de la structure.
Une forme soluble, constituée d’acide silicique non polymérisé souvent associé à des glucides ou des protéines (formant donc des dérivés organiques du silicium).
Les fonctions du silicium dans la plante sont multiples : métabolisme, protection vis-à-vis d’agents infectieux ou d’éléments toxiques, croissance. Il intervient également dans la structure, donnant à la fois solidité et souplesse.
Certaines plantes sont riches en silicium : La prêle, l’ortie, le bambou... mais sont pauvres en silicium organique, peu abondant dans leur composition et facilement éliminé par lessivage du fait de son hydro solubilité.
Présence du silicium dans le monde animal
Le silicium est retrouvé dans certaines carapaces. Chez les mammifères et en particulier dans l’organisme humain, il est présent en quantité notable avec un rôle structurant mais surtout fonctionnel, permettant l’élaboration de structures. Nous y reviendrons un peu plus tard.
Utilisation industrielle du silicium
Le silicium et ses dérivés possèdent des propriétés intéressantes (transparence, solidité, conductivité, piézo-électricité) et ses applications artisanales et industrielles sont nombreuses.
* matériaux de construction (à partir su sable)
* verre (contient plus de 60% de silice)
* silicone
* pneus, semelles, céramiques, étains, abrasifs...
* composants d’appareillages divers
* composants électroniques (semi-conducteurs), cellules photovoltaïque...
A noter la silice amorphe (E551) et divers silicates (E552 à E559) sont des additifs alimentaires anti-agglomérants qui facilitent l’écoulement des matières pulvérulentes.
Achetez en ligne du silicium organique buvable ou en gel cliquez ici