Dioxyde de Silicium

Synonyms:
CAS 112945-52-5; Acitcel; Aerosil; Amorphous silica dust; Aquafil; CAB-O-GRIP II; CAB-O-SIL; CAB-O-SPERSE; Cataloid; Colloidal silica; Colloidal silicon dioxide; Dicalite; DRI-DIE Insecticide 67; FLO-GARD; Fossil flour; Fumed silica; Fumed silicon dioxide; HI-SEL; LO-VEL; Ludox; Nalcoag; Nyacol; Santocel; Silica; Silica aerogel; Silica, amorphous; Silicic anhydride; Silikill; Synthetic amorphous silica; Vulkasil ;AEROSİL 200; AEROSİL 200; AEROSIL-200; AEROSİL-200; Silikon dioksit , silisyum dioksit , kolloidal susuz silika ; AEROSIL 200; AEROSIL-200; AEROSİL-200; Silikon dioksit , silisyum dioksit , kolloidal susuz silika ; AEROSIL 200; AEROSIL-200; AEROSIL-200; AEROSİL 200; Silica; SILICON DIOXIDE; Quartz; 7631-86-9; Cristobalite; Dioxosilane; Diatomaceous earth; Tridymite; Sand; Infusorial earth; Silicic anhydride; Aerosil; KIESELGUHR; Diatomaceous silica; Dicalite; Wessalon; Glass; Ludox; Nyacol; 112945-52-5; 14808-60-7; Zorbax sil; Crystalline silica; Silica, amorphous; Cab-O-sil; Christensenite; Crystoballite; Siliceous earth; Silicon oxide; Amorphous silica; QUARTZ (SIO2); 61790-53-2; Silica, colloidal; 112926-00-8; Silicon(IV) oxide; Sillikolloid; silikon dioksit; sılıkon dıoksıt; dioxyde de silicium

Dioxyde de silicium
Dioxyde de silicium

Image supérieure : formule de Lewis du dioxyde de silicium.
Image inférieure : motif structurel de base de la plupart des polymorphes du dioxyde de silicium qui forme des assemblages de tétraèdres SiO4 liés les uns aux autres par leurs sommets, chaque atome d'oxygène étant commun à deux tétraèdres, d'où la formule générale de SiO2a.
Identification
Synonymes    
silice

No CAS    1343-98-2 : silice précipitée
7631-86-9 : silice amorphe
13778-37-5 : stishovite
13778-38-6 : coésite
14464-46-1 : cristobalite
14808-60-7 : quartz
15468-32-3 : tridymite
17679-64-0 : keatite
60676-86-0 : verre de quartz
63231-67-4 : gel de silice
69012-64-2 : fumée de silice
112945-52-5 : silice pyrogénée
No ECHA    100.028.678
No CE    231-545-4 : silice amorphe
238-455-4 : cristobalite
238-878-4 : quartz
239-487-1 : tridymite
262-373-8 : verre de quartz
273-761-1 : fumée de silice
601-214-2 : gel de silice
604-037-9 : stishovite
920-837-3 : verre
No RTECS    VV7325000 : cristobalite
VV7330000 : quartz
VV7335000 : tridymite
PubChem    24261
ChEBI    30563
No E    E551
SMILES    
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InChI    
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Apparence    solide incolore cristallisé, parfois amorphe, pratiquement insoluble dans l'eau1
Propriétés chimiques
Formule brute    O2Si
Masse molaire2    60,0843 ± 0,0009 g/mol
O 53,26 %, Si 46,74 %,
Propriétés physiques
T° fusion    1 730 °C1
T° ébullition    2 230 °C3
Solubilité    10 mg·L-1 à 25 °C (quartz)4
Masse volumique    2,334 g·cm-31
Propriétés optiques
Indice de réfraction    1,458 pour λ=589 nm dans la silice amorphe en couche mince5
Précautions
SGH8
SGH07 : Toxique, irritant, sensibilisant, narcotiqueSGH08 : Sensibilisant, mutagène, cancérogène, reprotoxique
[+]
NFPA 7048
Symbole NFPA 704.

010 
Classification du CIRC
Groupe 1 : cancérogène pour l'homme6 (silice cristalline inhalée sous forme de quartz ou de cristobalite de source professionnelle)
Groupe 3 : inclassable quant à sa cancérogénicité pour l'Homme7 (silice amorphe)
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

Le dioxyde de silicium, ou silice, est un composé chimique de formule SiO2. Il s'agit d'un solide incolore présent en abondance dans le milieu naturel et chez divers êtres vivants. Il 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 l'écorce terrestre et du manteau terrestre. Libre ou combiné, il représente 60,6 % de la masse de la croûte continentale9. Il est particulièrement abondant sous forme de quartz, notamment dans les granites. Il existe également sous forme de matériau synthétique, comme le verre de quartz, la silice pyrogénée, le gel de silice et les aérogels. Il est utilisé comme matériau structurel, en microélectronique, comme isolant électrique, ainsi que comme ingrédient pour l'industrie pharmaceutique et l'industrie agroalimentaire.

L'inhalation de silice cristallisée finement divisée est toxique et peut conduire à des inflammations graves des poumons, à la silicose, à des bronchites, au cancer du poumon et à des maladies auto-immunes comme le lupus érythémateux disséminé et la polyarthrite rhumatoïde. L'absorption de dioxyde de silicium amorphe ne provoque en revanche que de brèves inflammations réversibles10.

Propriétés physiques
Diagramme de phases

Diagramme de phases du dioxyde de silicium11.
Dans les conditions normales de température et de pression (T = 0 °C, P = 0,1 MPa), le dioxyde de silicium à l'équilibre est sous la forme de quartz α, un matériau cristallin de structure trigonale (Z = 3 motifs SiO2 par maille).

À basse pression (P < 500 MPa) et température T croissante, la phase stable est successivement :

le quartz α, trigonal (Z = 3) ;
le quartz β, hexagonal (Z = 4) ;
la tridymite, triclinique (Z = 320b) ;
la cristobalite, tétragonale (Z = 4) ;
la silice liquide (à partir de 1 703 °C à pression atmosphérique) ;
la vapeur de silice (au-dessus de 2 950 °C à pression atmosphérique).
À basse température (T < 600 °C) et pression P croissante, la phase stable est successivement :

le quartz α, trigonal (Z = 3) ;
la coésite, monoclinique (Z = 16) ;
la stishovite, tétragonale (Z = 2).
Les transitions de phase du diagramme sont du premier ordre, à l'exception de la transition quartz α ↔ quartz β (du deuxième ordre), qui est displacive (elle se fait par simple déplacement des atomes sans rupture de liaisons chimiques) ; pour cette raison elle ne nécessite pas de nucléation, et le quartz β ne peut pas être trempé à basse température.

Dans toutes les phases ci-dessus chaque atome de silicium est au centre d'un tétraèdre [SiO4], à l'exception de la vapeur de silice (molécules SiO2) et de la stishovite, dans laquelle le nombre de coordination du silicium est 6 (octaèdres [SiO6]).

Formes cristallines
Le dioxyde de silicium est un solide incolore relativement dur (7,0 sur l'échelle de Mohs pour le quartz) qui existe aussi bien sous forme cristallisée que sous forme amorphe. Sa masse volumique vaut 2,648 g/cm3 pour le quartz α, mais 2,196 g/cm3 pour le SiO2 amorphe12. Il est transparent dans tout le spectre visible, d'où ses applications en optique, avec un indice de réfraction voisin de 1,46. Il est en revanche moins transparent dans l'infrarouge, ce qui explique en partie l'avantage procuré en horticulture par l'emploi de serresc. C'est un bon isolant électrique, avec une résistivité de 1012 à 1016 Ω cm pour les formes cristallisées, et supérieure à 1018 Ω cm pour les formes amorphes15. Sa conductivité thermique vaut respectivement 1,3 et 1,4 W m−1 K−1, et son coefficient de Poisson respectivement 0,17 et 0,165 pour les formes cristallines et amorphes.

Dans la majorité des silicates, les atomes de silicium présentent une coordination tétraédrique, avec quatre atomes d'oxygène entourant un atome de silicium central. Les polymorphes du quartz sont des exemples de telles structures, qui forment un réseau tridimensionnel dans lequel chaque atome de silicium est lié par covalence à quatre atomes d'oxygène de manièe tétraédrique.

Par exemple, dans la maille cristalline du quartz α, le tétraèdre central partage ses quatre sommets, formés chacun d'un atome d'oxygène, tandis que les deux tétraèdres à faces centrées partagent deux de leurs quatre sommets, et que les quatre tétraèdres à arêtes centrées ne partagent que l'un de leurs atomes d'oxygène avec des tétraèdres SiO4 voisins. Ce sont ainsi 12 atomes d'oxygène sur les 24 que comptent les 7 tétraèdres de la maille élémentaire du quartz α qui sont partagés entre deux tétraèdres adjacents.

La seule forme stable de dioxyde de silicium aux conditions normales de température et de pression est le quartz α, qui est la forme cristalline la plus commune du SiO2. Les impuretés dans le réseau du cristal peuvent donner à ce dernier différentes couleurs. La transition entre le quartz α et le quartz β se produit à 573 °C de manière abrupte. Comme cette transition s'accompagne d'une augmentation sensible du volume du cristal, elle peut aisément fracturer les roches ou les céramiques contenant du dioxyde de silicium franchissant cette température16.

Minéraux des hautes températures, la cristobalite et la tridymite ont une masse volumique et un indice de réfraction inférieurs à ceux du quartz α. En revanche, la seifertite, la stishovite et la coésite, qui sont des minéraux des hautes pressions, ont une masse volumique et un indice de réfraction supérieurs à ceux du quartz α17.

Hormis la stishovite et les fibres de silice, tous les polymorphes du dioxyde de silicium cristallisé sont constitués de tétraèdres SiO4 unis par certains de leurs sommets dans différentes configurations tridimensionnelles. La longueur de la liaison Si–O varie selon les formes cristallines. Dans le quartz α, par exemple, elle vaut 161 pm, tandis qu'elle vaut de 154 à 171 pm dans la tridymite α. L'angle de liaison Si–O–Si varie également de 140° pour la tridymite α à 180° pour la tridymite β, tandis qu'il vaut 144° pour le quartz α18.

Les fibres de silice présentent une structure semblable à celle du disulfure de silicium SiS2, avec des chaînes de tétraèdres partageant certaines de leurs arêtes. La stishovite, forme stable à haute pression, présente en revanche une structure de type rutile, dans laquelle les atomes de silicium sont hexacoordonnés. La masse volumique de la stishovite est de 4,287 g·cm-3, bien supérieure à celle du quartz α, qui n'est que de 2,648 g·cm-319. Cette différence de masse volumique est à mettre en relation avec la variation de coordinence, car les liaisons Si–O sont plus longues dans la stishovite — quatre liaisons équatoriales de 176 pm et deux liaisons polaires de 181 pm — que dans le quartz α : quatre liaisons tétraédriques de 161 pm20.

La faujasite est une autre forme de silice cristalline. On l'obtient par désalumination de zéolithes Y ultra stables à basse teneur en sodium à l'aide d'un traitement thermique en présence d'un acide. Le produit résultant contient plus de 99 % de silice ayant une forte cristallinité et une surface spécifique élevée (plus de 800 m2·g-1). C'est un matériau très stable vis-à-vis de la température et des acides. Il conserve notamment se cristallinité et son haut degré d'ordre moléculaire à grande distance après avoir été placé dans de l'acide chlorhydrique concentré bouillant.

Formes non cristallines ou biologiques
Il existe une grande variété de minéraux constitués d'une fraction plus ou moins importante de SiO2 amorphe. Le principal d'entre eux est l'opale, qui est un hydrate de dioxyde de silicium amorphe dont l'eau représente généralement entre 6 et 10 % de la masse, les valeurs extrêmes allant de 3 à 21 %. La geysérite est une variante d'opale formée autour des sources chaudes et des geysers.

Certaines roches siliceuses sont d'origine biologique, comme les radiolarites et les diatomites, comme le kieselguhr, formées par diagenèse à partir de squelettes de myriades de radiolaires, de frustules de diatomées, d'éponges siliceuses, voire de thèques d'amibes testacées38. D'autres, comme le silex et le grès, sont des roches sédimentaires plus ou moins cristallines, le silex étant généralement qualifié de cryptocristallin tant ses cristaux de quartz sont petits et agencés de manière désordonnée.

De la silice amorphe se forme également à partir de silice cristalline fondue et refroidie rapidement. On en trouve ainsi dans diverses roches volcaniques, comme l'obsidienne et la tachylite, ou encore dans les éjectas issus de cratères d'impacts, comme les tectites. Une variété particulière de telles roches se forme à partir de sols siliceux frappés par la foudre : les fulgurites et la lechateliérite.

Les plantes produisent des phytolithes dont certains sont constitués de dioxyde de silicium. Dans la mesure où les phytolithes riches en SiO2, qui favorisent l'usure des dents et des mandibules, se rencontrent notamment dans les herbes consommées comme pâturage (graminées) par divers herbivores allant des insectes aux ongulés, on pense qu'il s'agit d'un mécanisme de défense développé par ces plantes pour limiter leur consommation39,40. On trouve également de la silice dans les cendres de balle de riz, qui peut être utilisée en filtration et dans la fabrication de ciments.

Du SiO2 moléculaire à géométrie moléculaire linéaire O=Si=O est produit lorsque du monoxyde de silicium SiO est condensé dans une matrice d'argon cryogénique refroidie à l'hélium liquide en présence d'atomes d'oxygène libérés par décharge micro-onde. Du dioxyde de silicium dimérique (SiO2)2 a été obtenu en faisant réagir des molécules d'oxygène O2 avec du monoxyde de silicium dimérique (SiO)2. Le dioxyde de silicium dimérique présente deux atomes d'oxygène pontants entre les atomes de silicium avec un angle Si–O–Si de 94° et une longueur de liaison de 164,6 pm, tandis que la liaison Si–O terminale a une longueur de 150,2 pm.

Silice liquide
À l'état liquide, le dioxyde de silicium présente certaines propriétés semblables à celles de l'eau, comme un coefficient de dilatation thermique négatif, un maximum de masse volumique autour de 5 000 °C, ainsi qu'un minimum de capacité thermique41. Sa masse volumique décroît de 2,08 g·cm-3 à 1 950 °C jusqu'à 2,03 g·cm-3 à 2 200 °C42.

Propriétés chimiques
La solubilité du dioxyde de silicium dans l'eau dépend fortement de sa forme cristalline. Elle est bien plus élevée pour la silice amorphe que pour le quartz — 120 et 10 mg·L-1 à 25 °C respectivement4 — et est maximum à 340 °C avec 1 660 mg·kg-1 à pression de vapeur saturante43 ; cette propriété est mise à profit pour faire croître des monocristaux de quartz par procédé hydrothermal dans lequel du quartz naturel est dissous dans de l'eau surchauffée dans un récipient pressurisé qui est refroidi par le haut : on peut obtenir des cristaux de 0,5 à 1 kg sur une période de un à deux mois18. De tels cristaux de quartz très purs peuvent être utilisés pour des applications électroniques19. La solubilité du SiO2 est encore plus élevée dans l'eau supercritique, atteignant 20 % à 500 °C et 1 000 bar.

Le SiO2 dissous dans l'eau forme un acide silicique H4SiO4, qui est un acide faible, avec un maximum de 120 mg·L-1 à 25 °C dans l'eau purifiée. Cette valeur augmente avec la température, la pression, mais aussi le pH, les solutions basiques favorisent en effet la formation d'ions silicate SiO44–. L'acide silicique forme des suspensions colloïdales dans l'eau en lui conférant une certaine opacité. 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 l'acide silicique y étant alors plus faible.

Le dioxyde de silicium peut donner du silicium par réaction carbothermique dans des fours à arc à plus de 2 000 °C selon la réaction :

SiO2 + 2 C ⟶ Si + 2 CO.
Le fluor F2 réagit avec le dioxyde de silicium pour former du tétrafluorure de silicium SiF4 en libérant de l'oxygène O2, tandis que les autres halogènes (chlore Cl2, brome Br2 et iode I2) ne réagissent pas avec lui19.

Le dioxyde de silicium est attaqué par l'acide fluorhydrique HF pour donner de l'acide hexafluorosilicique18 H2SiF6, réaction utilisée notamment dans l'industrie des semi-conducteurs pour graver ou retirer des couches minces de SiO2 :

SiO2 (s) + 6 HF (aq) ⟶ H2SiF6 (aq) + 2 H2O.
Le dioxyde de silicium est un oxyde acide au sens de Lux-Flood, qui réagit avec les oxyde basiques pour donner des silicates, par exemple sous forme d'ions métasilicate SiO32–, analogues à l'ion carbonate CO32–, et orthosilicate SiO44–. Ainsi, l'oxyde de calcium CaO réagit avec le dioxyde de silicum et donne des silicates de calcium, par exemple de la wollastonite CaSiO3 :

CaO + SiO2 ⟶ CaSiO3.
La présence ubiquitaire de silicates parmi les minéraux fait du silicium le deuxième élément chimique le plus abondant de l'écorce terrestre, après l'oxygène.

Le dioxyde de silicium est dissous dans les bases concentrées à chaud ou les hydroxydes de métaux alcalins fondus, comme le montre par exemple cette équation idéalisée :

SiO2 + 2 NaOH ⟶ Na2SiO3 + H2O.
Le dioxyde de silicium neutralise les oxydes métalliques basiques comme l'oxyde de sodium Na2O, l'oxyde de potassium K2O, l'oxyde de plomb(II) PbO ou l'oxyde de zinc ZnO, formant des silicates et des verres alors que les liaisons Si–O–Si sont progressivement rompues18. Ainsi, la réaction de l'oxyde de sodium et du dioxyde de silicium peut produire de l'orthosilicate de sodium Na4SiO4, du silicate de sodium Na2SiO3 et des verres, selon les proportions des réactifs :

2 Na2O + SiO2 ⟶ Na4SiO4 ;
Na2O + SiO2 ⟶ Na2SiO3 ;
(0,25–0,8) Na2O + SiO2 ⟶ verre.
Certains de ces verres ont une importance commerciale, par exemple le verre sodocalcique (avec du carbonate de sodium Na2CO3 et de l'oxyde de calcium CaO), le verre borosilicate (avec du carbonate de sodium Na2CO3 et du sesquioxyde de bore B2O3) et le cristal (avec de l'oxyde de plomb(II) PbO).

Le dioxyde de silicium réagit à chaud avec le silicium pour donner du monoxyde de silicium SiO :

SiO2 + Si ⟶ 2 SiO.
Cycle biogéochimique de la silice
Parmi les services écosystémiques fournis par les éponges siliceuses (et les radiolaires), figure leur rôle dans le cycle océanique de la silice. Alors que l'océan reçoit en continu de la silice d'origine terrigène, l'enfouissement des squelettes siliceux (forme particulièrement insoluble de la silice biogénique) joue un rôle majeur dans le cycle géochimique (en) de la silice océanique44.

On a longtemps cru que le cycle marin du Si était à l'équilibre grâce à l'enfouissement de squelettes siliceux d'algues (diatomées) ou à leur transformation en argile authigénique (phénomène dit d'« altération inverse », mais il a été démontré que les glaciers et eaux souterraines apportent un surplus de silice à l'océan mondial44. La digestion chimique d'échantillons de sédiments et leur examen au microscope montrent que le rôle de l'enfouissement de squelettes insolubles d'éponges a été très sous-estimé dans les inventaires biogéochimiques. Les éponges siliceuses sont maintenant considérées comme étant le premier puits de silice marin44.

Production
Le dioxyde de silicium provient essentiellement de l'exploitation minière, y compris de l'extraction de sable et de la purification du quartz.

Fumée de silice
Article détaillé : fumée de silice.
La fumée de silice est obtenue comme sous-produit de procédés à chaud comme la production de ferrosilicium. Elle est moins pure que la silice pyrogénée et ne doit pas être confondue avec elle, ses propriétés physiques et ses applications étant également différentes.

Silice pyrogénée
La silice pyrogénée est une forme de silice pulvérulente ou colloïdale obtenue en faisant brûler du tétrachlorure de silicium SiCl4 dans une flamme d'hydrogène H2 riche en oxygène19 O2 :

SiCl4 + 2 H2 + O2 ⟶ SiO2 + 4 HCl.
Silice précipitée
Article détaillé : silice précipitée.
La silice précipitée est une forme amorphe de dioxyde de silicium obtenue par acidification de solutions de silicate de sodium Na2SiO3. Il se forme un précipité gélatineux, ou gel de silice, d'abord lavé puis déshydraté pour donner de la silice microporeuse19. L'équation idéalisée faisant intervenir un trisilicate de sodium Na2Si3O7 et l'acide sulfurique H2SO4 peut être résumée ainsi :

Na2Si3O7 + H2SO4 ⟶ 3 SiO2 + Na2SO4 + H2O.
De l'ordre d'un million de tonnes de silice ont été produits de cette manière en 1999, destinés essentiellement à l'utilisation dans des matériaux composites (pneus et semelles de chaussures)45.

Sur circuits intégrés
Des couches minces de dioxyde de silicium se développent spontanément sur les wafers de silicium par oxydation thermique, en donnant une couche très fine d'environ 1 nm d'oxyde natif46. Il est possible de faire croître des couches de dioxyde de silicium sur du silicium, par exemple à des températures de 600 à 1 200 °C en utilisant de l'oxygène (oxydation sèche) ou de l'eau (oxydation humide)47,48 :

Si + O2 ⟶ SiO2 ;
Si + 2 H2O ⟶ SiO2 + 2 H2.
Cette couche d'oxyde natif est utile en microélectronique car elle agit comme isolant électrique avec une grande stabilité chimique. Elle peut protéger le silicium, permettre d'accumuler une charge électrique (condensateur), bloquer le courant électrique, voire réguler l'intensité du courant.

Procédés particuliers ou de laboratoire
De nombreux procédés aboutissant au dioxyde de silicium partent de composés organosiliciés comme l'hexaméthyldisiloxane49 O[Si(CH3)3]2 (HMDSO) et l'orthosilicate de tétraéthyle Si(OEt)4 (TEOS). Ainsi, le simple chauffage du TEOS de 680 à 730 °C donne du dioxyde de silicium :

Si(OEt)4 ⟶ SiO2 + 2 OEt2.
De même, le TEOS brûle vers 400 °C :

Si(OC2H5)4 + 12 O2 ⟶ SiO2 + 10 H2O + 8 CO2.
Le TEOS est hydrolysé par procédé sol-gel. Le déroulement de la réaction et la nature du produit dépendent des catalyseurs, mais l'équation idéalisée peut s'écrire50 :

Si(OEt)4 + 2 H2O ⟶ SiO2 + 4 EtOH.
Le dioxyde de silicium étant un composé très stable, il apparaît au cours de nombreuses réactions chimiques. Ainsi, la combustion du silane SiH4 donne du dioxyde de silicium de la même manière que la combustion du méthane CH4 donne du dioxyde de carbone CO2 :

SiH4 + 2 O2 ⟶ SiO2 + 2 H2O.
Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de SiO2 à la surface de cristaux à partir de silane a été réalisé dans un flux d'azote N2 à une température de 200 à 500 °C51.

Applications
Utilisations structurelles
De l'ordre de 95 % du dioxyde de silicium (sable) produit est consommé dans l'industrie du BTP, par exemple pour la production de béton de ciment (ciment Portland)45. Le dioxyde de silicium est le principal composant des moulages en sable utilisés pour la réalisation de pièces métalliques en ingénierie et autres applications technologiques. Le point de fusion élevé de la silice est particulièrement utile dans cet usage.

La silice cristallisée est utilisée en fracturation hydraulique de formations géologiques contenant du pétrole de réservoirs étanches et du gaz de schiste.

Production de verre et de silicium
La silice est la principale matière première utilisée pour la production de la plupart des verres. La température de transition vitreuse du dioxyde de silicium pur est d'environ 1 201,85 °C52. Lorsque du dioxyde de silicium fondu est refroidi rapidement, il ne cristallise pas mais se solidifie sous forme d'un solide amorphe, en l'occurrence un verre. L'absence d'ordre à grande distance n'implique pas que le matériau soit également désordonné à plus petite échelle, et on observe une organisation ordonnée dans la silice amorphe à des échelles qui dépassent largement la longueur de la liaison Si–O ; c'est par exemple le cas des cycles de six tétraèdres SiO453.

La plus grande partie des fibres optiques destinées aux télécommunications sont en dioxyde de silicium. Ce dernier est la matière première de nombreuses céramiques, comme la terre cuite, les grès et la porcelaine.

Le dioxyde de silicium permet d'obtenir du silicium pur, par un procédé faisant intervenir une réaction carbothermique dans un four à arc électrique54 :

SiO2 + 2 C ⟶ Si + 2 CO.
Industrie électronique
Le dioxyde de silicium est également très utilisé dans l'industrie de la microélectronique où il sert comme couche de passivation, d'oxyde (diélectrique) de grille pour transistor MOSFET ou encore comme couche anti-reflet. Ses applications sont semblables à celles d'autres oxydes apparentés, comme le dioxyde de zirconium ZrO2, le dioxyde de titane TiO2 ou encore l'oxyde d'hafnium(IV) HfO2.

Utilisations agroalimentaires
Le dioxyde de silicium est un additif (E 551) couramment utilisé dans l'industrie agroalimentaire, essentiellement comme agent de fluidification pour denrées en poudre ou pour absorber l'humidité dans les applications hygroscopiques. On le trouve comme anti-agglomérant dans les aliments en poudre comme les épices et les crèmes en poudre pour le café.

La silice colloïdale est utilisée comme agent de collage dans la clarification et stabilisation du vin, de la bière et des jus de fruits45 ; son numéro E est E551.

Autres
Le dioxyde de silicium est utilisé dans la méthode de séparation de l'ADN par adsorption sur silice (en), applicable à l'ADN aussi bien qu'à l'ARN, en raison de la capacité du SiO2 à se lier aux acides nucléiques en présence de chaotropes55.

Le dioxyde de silicium est le constituant principal du kieselguhr, ou terre de diatomées, dont les propriétés mécaniques particulières sont mises à profit dans de nombreuses applications, allant de l'abrasion dans le dentifrice jusqu'à l'isolation thermique en passant par la stabilisation de la nitroglycérine dans les bâtons de dynamite, la fonction d'absorbant dans les litières pour chats, les insecticides mécaniques (notamment contre les blattes), le support de catalyseurs en catalyse hétérogène, l'activation expérimentale de la coagulation sanguine en laboratoire, etc.

La silice hydrophobe (en) peut être utilisée comme antimoussant, ou peut servir à produire de l'eau sèche, substance se présentant comme une fine poudre blanche formée de gouttelettes d'eau enrobées d'une pellicule de nanoparticules de silice.

Toxicité
L'ingestion de dioxyde de silicium par voie orale est essentiellement non toxique, avec une LD50 de 5 g/kg45. Une étude de 2008 avait conclu, après avoir suivi des sujets pendants 15 ans, qu'un niveau de SiO2 plus élevé dans l'eau semble réduire le risque de démence ; un ajout de 10 mg/jour de SiO2 dans l'eau potable était associé à une baisse de 11 % du risque de démence56.

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 inhalation57. 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 des atteintes pulmonaires graves comme la silicose (pneumoconiose fibrosante). Elles peuvent activer l'inflammasome NLRP3 des macrophages et des cellules dendritiques et conduire ainsi à la production d'interleukine, une cytokine fortement pro-inflammatoire du système immunitaire58. Elles favorisent également l'apparition du cancer du poumon. 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). L'inhalation de telles particules en grande quantité, par exemple sur le lieu de travail, augmente le risque de développer des maladies auto-immunes telles que le lupus érythémateux disséminé et la polyarthrite rhumatoïde59.

Les poussières de silices amorphes ne présentent pas ce degré de toxicité60 car elles présentent une faible bio-persistance (elles sont solubles dans les liquides biologiques).

Risques en milieu professionnel
La silice est un risque professionnel pour les personnes qui réalisent du sablage ou travaillent avec des produits contenant de la silice cristalline en poudre. La silice amorphe, telle que la silice pyrogénée, peut dans certains cas induire des lésions pulmonaires irréversibles, mais n’est pas associée au développement de la silicose. Les enfants, les asthmatiques de tous âges, les personnes allergiques et les personnes âgées, qui présentent toutes une capacité pulmonaire réduite, peuvent être atteintes plus rapidement61.

La silice cristalline est également un risque professionnel pour ceux qui produisent des plans de travail en pierre, car le processus de découpe et d'installation des plans de travail libère de grandes quantités de silice en suspension dans l'air62. La silice cristalline utilisée dans la fracturation hydraulique présente également un risque pour la santé des travailleurs.

L'additif E551 est sujet à caution
Le dioxyde de silicium est utilisé comme antiagglomérant dans certaines préparations. Jusqu'à présent, il passait pour inoffensif.

Depuis 50 ans, l'industrie alimentaire utilise le dioxyde de silicium comme antiagglomérant. Jusqu'ici, on le croyait inoffensif. Des scientifiques du PNR «Chances et risques des nanomatériaux» montrent qu'il peut influer sur le système immunitaire de l'intestin.

Les antiagglomérants veillent à ce que les aliments secs tels que les soupes prêtes à l'emploi, le café instantané ou encore les assaisonnements en poudre s'écoulent facilement, a indiqué mardi le Fonds national suisse (FNS) dans un communiqué.

Un demi-siècle d'utilisation
Le «dioxyde de silicium amorphe synthétique», une poudre ultra-fine tirée du sable de quartz, est utilisé depuis un demi-siècle comme additif alimentaire sous le numéro d'autorisation E551. Il passe pour être sans danger pour la santé humaine.

«Jusqu'ici, on supposait que ces particules nanostructurées étaient totalement inertes», explique Hanspeter Nägeli de l'Institut de pharmacologie et de toxicologie de l'Université de Zurich, cité dans le communiqué.

Equilibre du système immunitaire
Or une étude menée dans le cadre du Programme national de recherche «Chances et risques des nanomatériaux» (PNR 64) indique que ces particules peuvent activer certaines cellules immunitaires. «Nous avons montré que des cellules dendritiques au repos sont stimulées au contact de ces nanosilices et peuvent déclencher une réaction semblable à une inflammation», ajoute Hanspeter Nägeli.

Ces résultats donnent à réfléchir, car les cellules dendritiques jouent un rôle décisif dans le système immunitaire de l'intestin: elles préservent l'équilibre dynamique entre défense et tolérance.

Les cellules dendritiques contribuent de manière importante à la lutte du système immunitaire contre les microbes et les poussières. En même temps, elles coordonnent la réponse adéquate de l'organisme aux composants de l'alimentation ou aux représentants de la flore intestinale normale.

Maladies inflammatoires du côlon
Des essais menés avec des cultures de cellules de rongeurs montrent que les cellules dendritiques absorbent les nanosilices dans leur cytoplasme, ce qui les tire de leur sommeil. Elles sécrètent alors une molécule de signalisation qui peut activer une réaction d?inflammation.

Les chercheurs ignorent si ce genre de processus peut également perturber l'équilibre immunologique de l'intestin humain et le pousser vers une défense accrue. Ces résultats pourraient néanmoins expliquer pourquoi on observe une augmentation des maladies inflammatoires du côlon lorsque davantage de personnes consomment des produits alimentaires prêts à l'emploi.

«Il ne s'agit pas d'instiller la peur», souligne Hanspeter Nägeli: «Les maladies inflammatoires du côlon sont des pathologies complexes qui dépendent d'un grand nombre de facteurs.» Les nanosilices présentes dans la nourriture ne constituent ainsi qu'une petite pièce du puzzle.

Néanmoins, le chercheur recommande au vu de ses résultats une plus grande prudence dans l'emploi de ces particules dans l?alimentation: «Leur utilisation massive doit être repensée», écrivent les scientifiques dans leur article.

Améliorer l'estimation des risques
Une autre étude de Hanspeter Nägeli publiée l'an dernier critiquait l'évaluation actuelle de la sécurité des nanosilices: «Les analyses toxicologiques ne recensent aucun critère immunologique», notait le chercheur. En outre, des essais portant sur des rats ont relevé des lésions au foie avec les doses les plus élevées, mais qui n?ont pas été prises en compte dans l?évaluation des risques.

Un rapport avec les nanosilices n'a pu être prouvé, mais ne peut pas être exclu dans l'état actuel des connaissances, selon le scientifique. «C'est pourquoi nous plaidons pour l'application du principe de précaution et pour un réexamen des valeurs-limites en vigueur dans l'alimentation», dit-il.

Cette recherche a été réalisée à l'Université de Zurich en collaboration avec l'EMPA, l'EPFZ et la biotech Bavarian Nordic. Ces travaux ont été publiés dans les revues Particle and Fibre Toxicology et Journal of Nanobiotechnology.

Fonction principale    Antiagglomérant
Famille    Dioxyde de silicium - silicates
Exemples de produits d'emploi    Denrées alimentaires séchées en poudre, dragées, comprimés, fromage en tranches ou râpé à pâte dure et semi-dure, fromages fondus, matières grasses pour enduire les moules à pâtisserie, certaines confiseries, chewing-gum, édulcorants en comprimés ou en poudre, mélanges d'épices, sel et substituts de sel, préparations à base de céréales pour bébés notamment
DJA (valeur en mg/kg pc/jour)    Données insuffisantes
Autorisé en bio    Oui (herbes et épices séchées en poudre, arômes et propolis)
Allergie possible    Non
Notre commentaire    Le dioxyde de silicium et les silicates sont employés comme antiagglomérants, notamment dans des aliments en poudre mais aussi dans certaines confiseries (bonbons, dragées, chewing-gums) pour éviter que celles-ci ne s’agrègent. Le dioxyde de silicium fait partie des additifs pouvant contenir des nanoparticules. Or, plusieurs études in vitro évoquent un possible effet toxique (stress oxydatif) des nanoparticules de silice sur certaines cellules de l’intestin. L'étude du risque in vivo est globalement limitée par le manque d’études et de données toxicologiques prenant en compte les expositions réelles. L'Autorité européenne de sécurité alimentaire (Efsa) a publié en janvier 2018 la réévaluation du dioxyde de silicium et recommande notamment qu’une caractérisation claire de la distribution de taille des particules constituant l’additif soit menée. Elle préconise également de mener des études de toxicité chronique qui prendraient en compte la présence d’une fraction nanoparticulaire dans l’additif. En juin 2019, une équipe de chercheurs français (Bouchard et al.) publie une étude cherchant à évaluer l'impact sur des souris d'une exposition répétée et à long terme à des nanoparticules de silice amorphe. L'exposition s'est déroulée sur 18 mois via l'eau de boisson, à une dose comparable à l'exposition estimée par la consommation d'additifs alimentaires dans un régime courant. Des anomalies histologiques ont été détectées dans les tissus rénaux des souris exposées, de même que des réponses hépatiques inflammatoires.

Utilisé couramment dans l’industrie agroalimentaire, le dioxyde de silicium occupe une place importante dans l’alimentation du fait de ses propriétés anti-agglomérantes. Le point sur ce composé chimique.

Le dioxyde de silicone (E551) : définition
Également appelé dioxyde de silicone ou silice, le dioxyde de silicium est un composé résultant de la combinaison du silicium et de l’oxygène. À l’état libre, il est disponible sous deux formes : forme amorphe et forme cristalline. Il peut également être combiné avec d’autres oxydes dans les silicates, un ensemble de minéraux constituant 97 % de l’écorce terrestre.

L’utilisation de ce composé chimique varie selon sa forme :

La silice amorphe est un agent abrasif qui lutte efficacement contre les insectes nuisibles (tiques, puces, punaises de lit, etc.) ;
La silice cristalline est essentielle à la fabrication du verre et de divers produits de construction (béton, enduits de façade, etc.).
Lorsque la silice est plongée dans l’eau, elle coule au fond et son pH (potentiel hydrogène) reste inchangé.

Où trouver du dioxyde de silicium (SiO2) ?
Le dioxyde de silicium (SiO2) se trouve le plus souvent dans le quartz, l’un des principaux constituants de la croûte terrestre. Il est également présent :

Dans certains aliments complets ;
Dans de nombreux végétaux (algues, orties, bambous, prêle…) ;
Dans la peau des fruits et des légumes ;
Dans les tissus de soutien du corps humain (muscles, os, tendons, cartilages et articulations) ;
Dans la carapace de certains animaux ;
Chez certains insectes ;
Chez les herbivores ;
Chez les animaux de pâturage.
Où acheter du dioxyde de silicium ?
Utilisé comme additif alimentaire, le dioxyde de silicium se vend principalement sur Internet. D’autres produits à base de silice sont également disponibles en magasins bio et diététiques. Il peut s’agir de compléments alimentaires à base de silice, de gel de silice, d’additifs alimentaires (E551), etc.

Silice ou silicium : quelles différences ?
Il est important de ne pas confondre ces deux noms, car chacun possède leurs propres propriétés physiques. En effet, le silicium est un élément chimique désigné par le symbole Si. Quant à la silice, elle est le résultat de la combinaison de deux atomes d’oxygène (O2) et du silicium, d’où sa formule chimique SiO2.

Le silicium joue un rôle essentiel dans le mécanisme des défenses naturelles de l’organisme. La silice, quant à elle, participe au bon fonctionnement du corps humain.

Le silicium : propriétés, utilité et bienfaits
Le silicium n’existe pas à l’état pur. En effet, il doit être extrait de la silice sous forme de silicates. Chez l’Homme, il se trouve le plus souvent dans les muscles, la rate, les artères et l’aorte. Une personne de 60 kg contient également 7 g de silicium en moyenne. Ses apports recommandés avoisinent les 5 mg par jour. Une alimentation saine et équilibrée devrait couvrir l’ensemble des besoins quotidiens.

Où trouver du silicium ?
Le silicium est essentiel au bon fonctionnement de l’organisme. Il se trouve dans la majorité des aliments et boissons comme :

Les céréales complètes (avoine, blé, orge…) ;
Les légumes (haricots verts, épinards, légumes racines, haricots blancs…) ;
Les fruits (bananes, mangues, amandes, pistaches, pommes…) ;
Les fruits de mer (crevettes, maquereau, poisson…) ;
Les plantes (thé, ortie, algues…) ;
Les eaux minérales et gazeuses ;
Les abats ;
La bière.
Quels sont les bienfaits du silicium ?
Intéressant à plus d’un titre, le silicium est un véritable allié santé. Il apporte en effet de multiples bienfaits à l’organisme :

Il contribue à fixer le calcium et le magnésium ;
Il stimule les défenses naturelles de l’organisme ;
Il régénère et restructure les fibres d’élastine et de collagène ;
Il favorise l’assouplissement des artères ;
Il aide à éliminer l’excès de graisse dans le cadre d’un régime alimentaire ;
Il évite de reprendre du poids à la fin d’un régime minceur ;
Il est efficace contre la cellulite ;
Il contribue à la souplesse des articulations, à la solidité des os et à la résistance du tissu cartilagineux ;
Il ralentit l’apparition des rides et des vergetures.
À titre d’information, une grande partie du silicium contenu dans l’organisme diminue progressivement avec l’âge. En cas de carence, la consommation de compléments alimentaires à base de silicium est de mise.

Silicium minéral ou silicium organique ?
Pour de nombreuses personnes, le choix entre ces deux formes de silicium peut s’avérer difficile. En effet, beaucoup prétendent que le silicium organique est plus efficace et facilement assimilable par l’organisme par rapport au silicium minéral. Toutefois, les chercheurs affirment que leurs effets sont identiques. De ce fait, chacun est libre de choisir le type de silicium qui lui convient.

À noter que le silicium est naturellement minéral et devient organique une fois combiné avec un atome de carbone.

Le silicium est-il bénéfique pour les cheveux ?
Le silicium a des effets bénéfiques sur les cheveux, puisqu’il favorise une meilleure irrigation sanguine et stimule la production de sébum. Grâce à ses particularités, il contribue à :

Éliminer les toxines et les résidus métaboliques nuisant à la santé des cheveux ;
Vivifier et fortifier le cuir chevelu ;
Oxygéner les racines des cheveux et les bulbes capillaires ;
Lutter contre la chute de cheveux ;
Favoriser la pousse et l’hydratation des cheveux.
Ainsi, une cure de silicium est la meilleure solution pour avoir de beaux cheveux. Pour cela, il suffit de consommer une cuillère à soupe de silicium deux fois par jour, 15 à 20 min avant chaque repas. Ce traitement peut durer entre 1 et 3 mois. De même, il ne présente aucune contre-indication.

Les dangers du dioxyde de silicium
Depuis son exploitation, le dioxyde de silicium (SiO2) est utilisé comme additif alimentaire et considéré comme inoffensif pour l’organisme. Cependant, les recherches de certains scientifiques montrent que ce composé chimique influence le système immunitaire intestinal. En effet, ils affirment que des particules nanostructurées peuvent activer certaines cellules immunitaires, plus précisément les cellules dendritiques.

Les cellules dendritiques sont stimulées une fois en contact avec les particules nanostructurées, ce qui engendre une réaction inflammatoire. Il faut pourtant savoir que les cellules dendritiques jouent un rôle essentiel dans le système immunitaire intestinal :

Elles contribuent à préserver l’équilibre entre défense et tolérance ;
Elles permettent de lutter contre les microbes ;
Elles coordonnent la réponse de l’organisme aux actifs de la flore intestinale ou aux composants de l’alimentation.
Cependant, les chercheurs ignorent si ces particules nanostructurées ont un impact sur l’équilibre immunologique de l’intestin humain. Ils affirment toutefois que les maladies inflammatoires du côlon ont un lien avec les effets des nanoparticules. À noter que ces nanoparticules se trouvent principalement dans les produits alimentaires prêts à l’emploi.

Dioxyde de silicium dans les cosmétiques : un autre danger pour la santé
En plus d’être un additif alimentaire, le dioxyde de silicium est utilisé dans les cosmétiques. Il permet en effet de modifier leurs propriétés (couleur, odeur, texture, etc.), ce qui les rend particulièrement attractifs et pratiques. Cependant, ces produits contiennent des nanoparticules nocives pour la santé. Ces dernières peuvent en effet pénétrer facilement dans le sang du fait de leur taille microscopique (entre 1 et 100 nanomètres). Il peut s’agir de celles de la silice, du dioxyde de titane, de l’oxyde de zinc ou de fer.

Ces nanoparticules sont néfastes pour la santé, car elles contiennent des molécules toxiques, voire cancérigènes. Elles ont également un impact négatif dans les voies respiratoires (infections respiratoires, affaiblissement du système immunitaire…). De plus, elles favorisent l’oxydation des cellules et l’altération de l’ADN. Ainsi, la meilleure solution pour éviter toute complication est d’éviter les produits cosmétiques à base de dioxyde de silicium et d’autres composants nocifs.

À titre d’information, le CIRC (Centre international de recherche sur le cancer) de l’OMS (Organisation mondiale de la santé) a classé le dioxyde de titane comme substance cancérigène pour l’Homme.

Pourquoi prendre des compléments alimentaires à base de dioxyde de silicium ?
Certes, les carences en silicium sont rares, mais il est important de surveiller les besoins en ce minéral. En effet, la concentration de silicium dans l’organisme diminue avec l’âge. Un déficit favorise ainsi le développement de certaines maladies comme l’arthrose, l’artériosclérose et l’ostéoporose. Dans la majorité des cas, une alimentation équilibrée suffit pour éviter ces pathologies. Les compléments alimentaires à base de silice peuvent également apporter une aide précieuse en cas de carence en silicium. Toutefois, il est conseillé de demander un avis médical avant d’en consommer.

Dioxyde de silicium : efficace contre les blattes
Communément appelées cafards, les blattes font partie des insectes qui envahissent de nombreuses maisons. Parmi les plus connues se trouvent les blattes américaines, les blattes orientales, les blattes des meubles et les blattes germaniques. Elles se reproduisent rapidement et apprécient les lieux chauds et humides.

Pour s’en débarrasser, il est conseillé d’utiliser la terre de diatomée. Il s’agit d’un insecticide naturel composé de dioxyde de silicium, de micro-organismes marins et divers minéraux. Pour l’utiliser, il suffit de l’appliquer dans les pièces fréquentées par les blattes. Au contact avec la terre de diatomée, la couche externe qui protège les insectes se fissure, entraînant leur déshydratation et leur mort. Généralement, deux semaines suffisent pour que les cafards meurent avec ce traitement.

Pour éviter une nouvelle vague de blattes, il est conseillé d’adopter les bons gestes :

Éviter de laisser des aliments ou de l’eau à découvert ;
Éviter d’accumuler la vaisselle sale, surtout pendant la nuit ;
Éviter de laisser traîner les aliments destinés aux animaux de compagnie toute la journée ;
Nettoyer immédiatement les substances renversées ;
Nettoyer régulièrement le tour et le dessous des appareils électroménagers ;
Nettoyer quotidiennement la cuisine ;
Conserver les aliments dans des boîtes hermétiques ;
Vider régulièrement le réservoir de vidange du réfrigérateur ;
Passer régulièrement l’aspirateur pour éliminer les restes d’aliments ;
Aérer les pièces humides (salle de bain, cuisine…) ;
Placer les ordures dans des sacs en plastique scellés.