Dioxyde de silicium

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Dioxyde de silicium
image illustrative de l’article Dioxyde de silicium
Échantillon de dioxyde de silicium en poudre.
Identification
Nom UICPA Dioxyde de silicium
Synonymes

Silice

No CAS Quartz 14808-60-7
Tridymite 15468-32-3
Cristobalite 14464-46-1
Stishovite 13778-37-5
Coésite 13778-38-6
kéatite 17679-64-0
Silice amorphe 7631-86-9
Silice précipitée 1343-98-2
Gel de silice 63231-67-4
Verre de silice 60676-86-0
Fumée de silice 69012-64-2
No ECHA 100.028.678
No EINECS Fumée de silice 273-761-1
No E E551
Propriétés chimiques
Formule brute O2SiSiO2
Masse molaire[1] 60,0843 ± 0,0009 g/mol
O 53,26 %, Si 46,74 %,
Précautions
SIMDUT[2],[3]
Silice cristalline :
D2A : Matière très toxique ayant d'autres effets toxiques
D2A,
Silice amorphe :

Produit non contrôlé
Inhalation Les poussières des formes cristallines sont toxiques par inhalation.

Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

Le dioxyde de silicium est un composé de l'oxygène et du silicium, de formule SiO2.

Le dioxyde de silicium existe à l'état libre sous différentes formes cristallines ou amorphes, et combiné chimiquement avec d'autres oxydes dans les silicates, qui sont les principaux constituants de la croûte et du manteau terrestres. Le dioxyde de silicium libre est également abondant dans la croûte sous forme de quartz, notamment dans les granites.

Libre ou combiné, le dioxyde de silicium représente 60,6 % de la masse de la croûte terrestre continentale[4].

Différentes formes[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Silice.

SiO2 a un certain nombre de formes cristallines distinctes (polymorphes) en plus des formes amorphes. La plupart des formes cristallines impliquent des unités SiO4 tétraédriques reliées entre elles par des sommets partagés dans différents arrangements. Les longueurs de liaison silicium-oxygène varient entre les différentes formes cristallines.

La silice fibreuse a une structure similaire à celle de SiO2 avec des chaînes de tétraèdres SiO4 partageant les bords. En revanche, la stishovite, la forme à plus haute pression, a une structure semblable à celle du rutile où le silicium est en coordinence 6. Le changement de la coordination augmente l'ionicité de la liaison Si-O. Plus important encore, tout écart par rapport à ces paramètres standard constitue des différences ou des variations microstructurales, qui représentent une approche d'un solide amorphe.

La seule forme stable dans des conditions normales est le quartz alpha, dans lequel on rencontre habituellement du dioxyde de silicium cristallin. Dans la nature, les impuretés dans le quartz α cristallin peuvent donner naissance à des couleurs. Les minéraux à haute température, la cristobalite et la tridymite, ont à la fois des densités et des indices de réfraction inférieurs à ceux du quartz.

Propriétés[modifier | modifier le code]

Les propriétés physico-chimiques du dioxyde de silicium varient fortement en fonction de ses différentes modifications polymorphiques (voir silice et articles détaillés). Certaines propriétés sont communes aux différentes formes. Les formes minérales sont très dures (6 à 8 sur l'échelle de Mohs).

C'est un composé fortement diélectrique et très peu réactif. Il n'est pas soluble dans les solvants organiques. Il est très faiblement attaqué par les solutions alcalines (sauf sous forme de silice fondue). Sa solubilité dans l'eau est faible dans les conditions ambiantes mais augmente sensiblement en fonction de la température et de la pression. Les silices amorphes microporeuses sont plus facilement solubles que les formes cristallines.

Le dioxyde de silicium est attaqué par l'acide fluorhydrique selon les réactions :

SiO2 (s) + 4 HF(aq) → SiF4 (g) + 2 H2O (l)
SiO2(s) + 6 HF(aq) → H2[SiF6](aq) + 2 H2O(l)

Il peut être réduit par le carbone à haute température (carboréduction) suivant la réaction :

SiO2 + 2C → 2 CO + Si

Utilisations[modifier | modifier le code]

On l'utilise dans la fabrication de verre, de ciment, et dans la production de silicium.

Il est également très utilisé dans l'industrie de la microélectronique où il sert comme couche de passivation, d'oxyde de grille pour transistor MOSFET ou encore comme couche anti-reflet. De même que les autres oxydes qui lui sont similaires comme ZrO2, TiO2 ou HfO2.

Dans l'alimentaire, le dioxyde de silicium amorphe est un additif (E551) utilisé comme antiagglomérant, antimousse, ou support.

Appelé kieselguhr ou terre de diatomée, le dioxyde de silicium issu du broyage de diatomite (algues unicellulaires fossilisées), est utilisé comme insecticide, en particulier contre les blattes.

La silice est utilisée comme principal ingrédient dans la coulée de sable pour la fabrication de composants métalliques dans l'ingénierie. Le point de fusion élevé de la silice lui permet d'être utilisée dans de telles applications.

La silice est l'ingrédient principal dans la production de la plupart des verres. La température de transition vitreuse du SiO2 pur est d'environ 1 475 K. Lorsque le dioxyde de silicium fondu est rapidement refroidi, il ne cristallise pas, mais se solidifie sous forme de verre amorphe.

Toxicité[modifier | modifier le code]

Le dioxyde de silicium n'est pas toxique chimiquement, mais les poussières de silice cristalline (quartz et cristobalite, notamment) sont toxiques en raison de leur petite taille, de leur dureté et de leur inaltérabilité, essentiellement par inhalation[5]. Une exposition même brève peut provoquer une irritation des yeux et de l'appareil respiratoire. Les particules les plus fines peuvent être inhalées et atteindre les parties les plus profondes des poumons (alvéoles). Ces particules ne sont pas éliminées par l'organisme et peuvent entrainer de graves atteintes pulmonaires comme la silicose (pneumoconiose fibrosante). Elles favorisent également l'apparition de cancers broncho-pulmonaires. Une exposition unique à de fortes doses peut entrainer des effets durables et irrémédiables, la prévention des risques est donc primordiale (protections individuelles, lutte contre la contamination de l'air, confinement).

Les poussières de silices amorphes ne présentent pas ce degré de toxicité[6] car elles présentent une faible bio-persistance (elles sont solubles dans les liquides biologiques).

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  2. « silice cristalline » dans la base de données de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 15 août 2009
  3. « Silice amorphe » dans la base de données de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 15 août 2009
  4. (en) R. L. Rudnick (dir.) et S. Gao, Treatise on Geochemistry, vol. 3 : The Crust, Elsevier, (ISBN 978-0-08-044847-3, présentation en ligne), « Composition of the Continental Crust », p. 48,53
  5. « Silice cristalline - Fiche toxicologique n° 232 », INRS, 1997
  6. « Les silices amorphes - Le point des connaissances sur… », INRS, 2007

Annexes[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]