La silice est la forme naturelle du dioxyde de silicium (SiO) qui entre dans la composition de nombreux minéraux.
La silice existe à l'état libre sous différentes formes cristallines ou amorphes, et combiné à d'autres oxydes (, FeO, MgO, CaO, , ) dans les silicates.
Les silicates sont les constituants principaux du manteau et de l'écorce terrestre. La silice libre est également très abondante dans la nature, sous forme de quartz, de calcédoine et de terre de diatomée. La silice représente 60,6 % de la masse de la croûte terrestre continentale. Après l’oxygène le silicium est l’élément le plus abondant dans la lithosphère (27 % en masseMeunier J.D (2003). Le rôle des plantes dans le transfert du silicium à la surface des continents. Comptes Rendus Geoscience, 335(16), 1199-1206.).
Au-delà de certains seuils, l'inhalation de toutes les formes de poussières, nanoparticules, particules fines de silice est dangereuse. Elle est notamment cause de silicose et de plusieurs autres maladies (dont des maladies auto-immunes). Dans l’Union européenne, la directive classe en 2017 les poussières de silice comme agent cancérigène, tout en révisant les valeurs limites d'exposition (VLE) aux agents cancérigènes ou mutagènes pour rendre ces expositions plus contraignantes. Elle doit être progressivement appliquée par tous les États membres de l'Union européenne..
Propriétés La silice pure est un minéral dur. Elle existe sous des formes variées dans la nature : principal constituant des roches sédimentaires détritiques (sables, grès), elle représente 27 % de la masse de la croûte terrestre ; fréquente dans les roches métamorphiques ; fréquente dans les roches magmatiques : quartz dans les roches magmatiques acides, cristallisée ou amorphe dans les roches volcaniques.
Pure, elle est transparente dans tout le domaine visible. Ceci lui donne des applications intéressantes en optique. Ses propriétés de transparence se perdent dans les domaines UV et infrarouge, ce qui impose l'usage d'autres matériaux pour travailler dans ces longueurs d'onde, par exemple en spectrométrie infrarouge. Cet effet est mis à profit en agriculture ou dans l'Habitat (solaire thermique... maison passive) où l'on exploite l'effet de serre : la lumière pénètre les vitres, mais ces dernières piègent une partie des infrarouges, d'où un échauffement ou, tout au moins, le maintien d'une température plus élevée à l'intérieur qu'à l'extérieur du volume vitré.
La silice est un oxyde acide qui réagit avec les oxydes basiques pour donner des silicates (ions SiO32−, analogue à l'ion carbonate, et SiO44− entre autres). La présence majoritaire de silicates fait du silicium le deuxième élément en masse dans la croûte terrestre derrière l'oxygène.
La silice se présente soit sous forme de cristaux non-moléculaires formés de motifs tétraédriques SiO4 liés entre eux par les atomes d'oxygène de façon régulière, comme dans le quartz, soit sous forme amorphe, comme dans le verre.
La silice sert de matière première à l'obtention du silicium. Elle est réduite par réaction carbothermique dans des fours à arc à plus de suivant la réaction : + 2 C ⟶ Si + 2 CO.
La silice sert également de support isolant en électronique.
Applications thumb|left|Silice industrielle
Minéral Densité Indice de réfraction silice fibreuse 1,96 1,40mélanophlogite 2,05 1,42verre de silice 2,20 1,46tridymite 2,26 1,47cristobalite 2,33 1,48kéatite 2,50 1,52quartz 2,65 1,55coésite 3,0 1,59stishovite 4,35 1,78
Le verre de silice est de la silice non cristallisée utilisée dans la fabrication des instruments d'optique, d'appareils de laboratoire et de fibre de verre.
La silice est chimiquement stable et n'est guère attaquée que par l'acide fluorhydrique, réaction utilisée dans la gravure sur verre. Cette réaction empêche d'utiliser du verre de silice pour manipuler le fluor.
La silice se dissout très partiellement dans l'eau pure sous la forme de Si(OH) l'acide silicique (acide faible). La limite de solubilité étant de à . Cette solubilité augmente très fortement avec le pH (formation d'ion silicate, par la présence d'alcali dans une eau en bouteille), la température et la pression ; ainsi cette solubilité atteint 20 % dans l'eau supercritique à et .
Dans l'eau, l'acide silicique forme des suspensions colloïdales qui sont responsables de l'apparente opacité de l'eau lorsqu'elles sont présentes. C'est le cas dans l'eau des geysers comme celui de Geysir en Islande. Pour une concentration donnée en silice colloïdale, la couleur bleue est d'autant plus intense que l'eau est plus froide (la solubilité de Si(OH) est alors plus faible).
La silice est aussi l'un des meilleurs isolants électriques qui existe. Pour cette raison, elle est souvent utilisée sur des circuits électriques de silicium, simplement en oxydant les couches voulues.
Dans l'industrie alimentaire, la silice est parfois utilisée comme agent anti-agglomérant ou anti-mottant dans des denrées en poudre (sucre, sucre glace, épices).
En minéralogie thumb|upright=1|Modèle moléculaire d'une silice cristalline(atomes O en rouge, atomes Si en gris)
La silice cristallise sous plusieurs formes minérales en fonction de la température et de la pression de cristallisation. Par température de fusion, voici les polymorphes de la silice : stishovite (pf = ) ; quartz (α ou β) (pf = ) ; tridymite (pf = ) ; calcédoine (pf = ) ; cristobalite (pf = ) ; coésite.
Silice hydratée L'opale Il ne s’agit pas d’une espèce au sens strict du terme mais cette famille a une reconnaissance officielle par l’Association internationale de minéralogie (IMA)American Mineralogist 92, 2007, 1325.
Elle se compose de trois espèces minérales bien distinctes, la cristobalite, la tridymite et la silice amorphe hydratée.
Elle se décompose en quatre variétés : class=skin-invert-image|thumb|upright=1|Structure d'une silice amorphe en 2D Opal-CT (la lussatite des francophones) composé de cristobalite-tridymite (d’où les deux lettre « C » et « T »).
Opal-C est une forme qui est encore à l’étude. Il semble que la base soit une cristobalite, présentant d’importantes anomalies de structures cristalline. Les différences sont assez franches pour la distinguer de la cristobalite ; de même le terme cristobalite-microcristalline n’est pas encore prouvé.
Opal-AG est l’opale la plus connue ; formée de microsphères de silice amorphe, associées à des molécules d’eau dans des proportions variable. La lettre « A » désigne le caractère amorphe, la lettre « G » suggère que nous sommes en présence d’un gel.
Opal-AN (la hyalite des francophones). Forme amorphe (Lettre A) comme la précédente mais cette opale apparait dans les formations volcaniques, où les pegmatites déposent la silice à des températures élevées. La lettre « N » (normal) rappelle que la structure en réseau est plus proche de la silice mais il reste tout de même des molécules d’eau dans des proportions significatives.
Dans le vivant Des organismes comme les éponges siliceuses, le phytoplancton et les plantes jouent un rôle important dans le cycle biogéochimique de la silice. Le Si joue souvent un rôle important de rigidification de structure ou de parois cellulaire améliorant la résistance et la rigidité des organismes capables de l'utiliser.
Pour des raisons notamment génétiques, l'accumulation de silicium (Si) varie toutefois beaucoup selon les espèces végétales, plus ou moins apte à capter le Si via leur rhizosphère. Un gène codant un transporteur d'absorption de Si a été découvert chez le riz.
Le Si semble aussi jouer un rôle actif de défense des plantes contre certaines maladies, en stimulant les mécanismes de réaction de défense. Au Japon, en 2006, des biotechnologistes ont proposé de doper des espèces incapables d'accumuler assez de Si pour qu'il leur soit bénéfique, par manipulation génétique (OGM) pour accroître la capacité d'absorption du Si via les racines.
Silice et santé
La silice colloïdale est très utilisée dans l'industrie du médicament comme excipient pour stabiliser les principes actifs.. C'est d'ailleurs l'excipient le plus utilisé..
La silice colloïdale ionisée (obtenue par électrolyse) stabilisée par de l'éthanol et de l'acide chlorhydrique en flacon opaque, est un médicament en soi avec une indication de modificateur de terrain, en particulier au cours d’affections rhumatismales inflammatoires (Laboratoire du Dissolvurol).. Ce médicament était même remboursé autrefois par la Sécurité Sociale. Ce Dissolvurol silicium est aussi très utilisé pour des usages détournés, en particulier pour la perte de poids et par des naturopathes oligothérapeutes, Les patients ainsi traités rapporteraient un mieux-être général..
La silice cristalline est le matériau le plus présent de la croute terrestre. Il est donc logique de la retrouver dans la majorité des matériaux naturels d'origine minérale (presque toujours plus de 0,1 % du matériau et jusqu’à près de 100 % pour les sables, silex). Via les granulats qui contiennent tous de la silice cristalline, on la retrouve dans les routes, les bâtiments et de nombreux ouvrages de travaux publics. L’usure de ces matériaux et plus encore leur sciage, ponçage ou meulage à sec sont des sources d’exposition directe ou indirecte, immédiate ou différée à la silice cristalline.
Exposition à la silice et pathologies induites En 2019, dans le monde la silice n'est pas considérée comme toxique en tant que telle (on en trouve par exemple dans des dentifrices). Mais l'inhalation de particules de silice libre ou de poussière riche en silice cristalline (dans les mines, ateliers de sculpteurs ou dans certains métiers (meulage sur les chantiers de travaux publics ou de construction/déconstruction/démolition par exemple) est reconnue comme exposant à au moins deux maladies graves (généralement mortelles) affectant respectivement le système respiratoire et la peau et d'autres organes : silicose (typiquement chez les mineurs de fond ou ouvriers exposés aux fines particules de granit, grès, quartz, béton, briques ou silex notamment lors d'opérations à sec de tronçonnage, concassage, meulage, ponçage, burinage, explosion… ) ; sclérodermie généraliséeAmoudru C (1991) Sclérodermie généralisée et inhalation de poussières mixtes contenant de la silice libre Documents pour le médecin du travail, 46, 101-106.. La silice pourrait aussi dans ce cas être un facteur iatrogèneHallé, O., Schaeverbeke, T., Bannwarth, B. et Dehais, J. (1997), Les facteurs d'environnement et les éléments iatrogènes dans la sclérodermie systémique et les syndromes apparentés. Revue de la littérature. La Revue de médecine interne, 18(3), 219-229. ; la silice est désormais classée cancérigène. La silice cristalline peut aussi : entrainer une maladie auto-immune comme la sclérodermie systémique (syndrome d'Erasmus), la polyarthrite rhumatoïde ou le lupus érythémateux systémique ou disséminé (LED)... Selon Miguel Hie, spécialiste en médecine interne : L’exposition à la silice cristalline est un des risques environnementaux associés au lupus les mieux documentés, bien que largement méconnu des cliniciens.. Dans une étude effectuée en 2016 sur des souris femelles génétiquement prédisposées à être atteintes du lupus, 96 % des lésions des poumons provoquées par exposition à la silice ont été stoppées par la prise de DHA (ou acide docosahexaénoïque), un acide gras oméga-3 ; un syndrome de Sjögren. une probabilité augmentée de pathologie rénale (association statistique démontrée, mais avec un lien causal encore mal compris) ; une pneumopathie infiltrante diffuse (PID) de type FPI, c'est-à-dire "fibrose pulmonaire idiopathique" (pour ces maladies, l'association statistique est en 2019 démontrée, mais avec un lien causal encore mal compris)Exposition à la silice cristalline : des risques élevés pour la santé des travailleurs , Communiqué ANSES, mai 2019 ;