Le silicium est un élément chimique de symbole Si et de numéro atomique 14. C'est le 8ème élément le plus abondant dans l'Univers (0.07% en masse). Il représente 25,7% de la masse de la croûte terrestre. C'est aussi un oligoélément (0,0026% de la masse corporelle). Il existe trois isotopes stables du silicium (²⁸Si, ²⁹Si, ³⁰Si) et plusieurs isotopes instables. Le ²⁸Si est de loin le plus abondant des isotopes stables du silicium.

Dans le tableau périodique des éléments, le silicium se trouve juste en dessous du carbone. La configuration électronique de sa bande de valence est 3s², 3p². Tout comme le carbone il est tétravalent. L'électronégativité du silicium est de 1,9. Son potentiel d'ionisation est de 8,12 eV.

Du fait de leur valence identique, on compare souvent le silicium avec le carbone et on lui prête des potentialités équivalentes (la chimie du carbone est très riche, elle est au coeur de la chimie du vivant). Cette identité des valences cache de grandes différences. Tout d'abord en termes de géométrie. Le rayon de covalence du silicium étant de 110 pm alors que celui du carbone est de 77 pm. Cette différence de taille rend plus fragile les liaisons Si-Si. L'énergie de la liaison C-C vaut 346 kJ/mol et sa longueur est de 154 pm. L'énergie de la liaison Si-Si vaut 222 kJ/mol et sa longueur est de 233 pm.

Ces différences s'expriment aussi en termes d'électronégativité. L'électronégativité du carbone (2,55) est idéalement située entre celle de l'oxygène (3,44) ou de l'azote (3,04) et celle de l'hydrogène (2,2). Le carbone peut donc être oxydé par la plupart des oxydants mais il peut également être réduit par l'hydrogène. Cette particularité explique la très grande variété de composés carbonés. A contrario, l'électronégativité très faible du silicium (1,9) interdit toutes formes réduites du silicium. Les silanes (hydrures de silicium, voir plus bas) s'oxydent très facilement dans l'air et dans l'eau.

Le silicium existe à l'état pur sous forme cristalline, avec une configuration similaire à celle du carbone dans le diamant (cubique à face centrée). Dans cet état, le point de fusion du silicium est à 1414,85 degrés et son point d'ébullition à 3265 degrés. Le silicium s'oxydant très facilement, on le trouve surtout sous forme d'oxyde ou de silicate.

Silice et silicates

La silice SiO₂ (dioxyde de silicium) est le composant principal du sable de nos plages. Elle est alors sous une forme amorphe. Le sable résulte de la dégradation par érosion des roches (principalement granitiques). Sous sa forme cristalline, avec des traces d'autres éléments qui lui donnent une coloration, le dioxyde de silicium constitue ce que l'on appelle le quartz. La silice se dissout partiellement dans l'eau pour donner de l'acide silicique Si(OH)₄ qui est un acide faible.

Dans la croûte terrestre et dans le manteau supérieur, le silicium est présent sous forme de silicates (voir le post à ce sijet). Le terme silicate recouvre une très grande diversité de matériaux, répertoriés en sous-catégories en fonction de la géométrie de leur structure cristalline. Les orthosilicates sont les silicates dont la structure est la plus simple. Le tétraèdre formé par les anions SiO₄^4- (l'atome de silicium étant au centre et les atomes d'oxygène occupant chacun des sommets) ne partage aucun de ses sommets avec ses voisins. Le zircon ZrSiO₄ est un exemple d'orthosilicate. C'est une pierre fine utilisée en joaillerie. Il est aussi très recherché par les géologues car c'est une pierre dont la formation remonte à plus de 4 milliards d'années qui permet de dater des couches très anciennes. L'olivine, très présente dans le manteau terrestre, est un autre exemple d'orthosilicate. C'est une famille de silicates dont la formule générique est XYSiO₄, X et Y étant des cations métalliques. La forstérite Mg₂SiO₄, la fayalite Fe₂SiO₄ en sont des exemples abondants, mais on trouve également du silicate de manganèse Mn₂SiO₄ ou de calcium Ca₂SiO₄, ou des olivines combinant ces différents matériaux (CaFeSiO₄, MnFeSiO₄, MnMgSiO₄...).

Les sorosilicates sont basés quant à eux sur l'anion (Si₂O₇)^6-. Dans ce cas l'anion silicate adopte la forme de deux tétraèdres tête-bêche. Les inosilicates sont constitués par des anions (SiO₃)^2- chaînés entre eux. Les pyroxènes par exemple sont très présents dans le manteau terrestre. Leur formule générique est XY(SiO₃)², X étant un cation Na⁺, Ca²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺ ou Mg²⁺ et Y un cation Al³⁺, Cr³⁺, Fe²⁺ ou Fe³⁺, Mn²⁺, Mg²⁺ ou autre. Les amphiboles, des minéraux présents dans les roches plutoniques, sont eux aussi des inosilicates.

Dans les tectosilicates, tous les sommets des tétraèdres sont partagés. Il y a donc deux fois moins d'atomes de silicium que d'atomes d'oxygène. Le quartz est un tectosilicate, tout comme les feldspaths, qui sont des aluminosilicates de sodium, de potassium ou de calcium. Les feldspaths sont présents dans les roches granitiques.

Dans le manteau inférieur (à plus de 450 km de profondeur), les silicates sous très haute pression adoptent d'autres configurations : stishovite, ringwoodite... Ces configurations particulières font l'objet d'un post spécifique.

Argiles

Dans les phyllosilicates, plus connus sous le nom d'argiles ou de minéraux argileux, les tétraèdres constitués par les atomes d'oxygène autour du silicium partagent 3 sommets et forment ainsi des feuillets. Le quatrième sommet du tétraèdre occupe quant à lui une couche parallèle occupée par des cations qui sont le plus souvent des hydroxydes métalliques. Prenons l'exemple de la kaolinite, un silicate d'aluminium hydraté de formule Al₂Si₂O₅(OH)₄. Les feuillets de kaolinite sont constitués de deux couches, une première couche composée par la « base » des tétraèdres formés par les ions SiO₄ qui partagent 3 de leurs sommets, une deuxième couche composée des ions Al(OH)₅O²⁺ qui forment des octaèdres partageant certains de leurs groupes hydroxyles OH^- et de leurs atomes d'oxygène. La serpentine (Mg,Fe)₃Si₂O₅(OH)₄ est une autre roche métamorphique appartenant également à la famille des phyllosilicates. Le talc, autrefois très utilisé pour calmer les irritations des fesses de bébé, est un phyllosilicate de formule Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂. Le mica qui fait briller les roches granitiques est une autre famille de phyllosilicates abondants sur terre.

Remarque : Attention à ne pas confondre aluminosilicate et silicate d'aluminium. Dans un aluminosilicate, certains atomes de silicium sont aléatoirement remplacés par un atome d'aluminium.

Silane

Le silane SiH₄ est un hydrure de silicium qui est au silicium ce que le méthane est au carbone. Mais la comparaison s'arrête là. La différence d'électronégativité entre silicium et carbone fait que les propriétés du silane et du méthane sont très différentes. En particulier le silane est très réducteur :

On donne le nom générique de silanes aux molécules Si_nH_2n+2, qui s'oxydent elles aussi très facilement. On appelle silanone les silanes comportant une double liaison Si=O.

Utilisation industrielle

Le silicium a de nombreuses applications industrielles, la plus connue étant le verre. Le verre dit sodocalcique est obtenu par fusion de silice SiO₂, de carbonate de calcium CaCO₃ et de carbonate de sodium Na₂CO₃. Le carbure de silicium SiC est un matériau très dur utilisé comme abrasif. Le silicium et le carbure de silicium sont des substrats utilisés dans l'industrie des semi-conducteurs. Le silicium est aussi utilisé en combinaison avec l'aluminium en métallurgie pour réaliser des alliages. Citons également le silicone, un polymère basé sur le monomère [(CH₃)₂SiO]_n et qui est le composant de base de multiples mastics et joints.

Le silicate tricalcique (CaO)₃.SiO₂ (formule condensée Ca₃SiO₅) est l'un des composants principaux du ciment de Portland. Le silicate tricalcique réagit avec l'eau pour donner du silicate de calcium hydraté (C-S-H : Calcium silicate hydrate) en dégageant beaucoup de chaleur :

Le silicate de calcium hydraté est le principal responsable de la cohésion du ciment.

Chimie du vivant

Le silicium est un oligo-élément. Il joue un rôle dans la formation des anticorps ainsi que dans la fixation du calcium sur les os.