3 - Propriétés physico-chimiques du silicium

3.1 Propriétés élémentaires du silicium

Dans la classification périodique de Mendeleev, le silicium appartient au groupe VIIB, tout comme le germanium, l'étain et le plomb, mais surtout comme le carbone. Son numéro atomique est 14 et la masse atomique de ²⁸Si l'isotope le plus répandu est 27.98

Deux isotopes présents en quantités significatives dans la nature sont stables : ²⁹Si et ³⁰Si. Huit autres sont artificiciels : ²⁴Si, ²⁵Si, ²⁶Si, ²⁷Si (émetteurs beta+), ³¹Si, ³²Si, ³³Si et ³⁴Si (beta -). Leurs demi-vies sont très brèves pour six d’entre eux (de l’ordre de la seconde ou moins). Seuls le ³²Si ( 0.21 MeV, pour une période de 170 années) et le ³¹Si (1.49 MeV, mais seulement 2,62 heures de demi-vie) sont utilisables pour l’exploration métabolique. Assez curieusement, le ³²Si, pourtant pratique, n'a pratiquement jamais été utilisé, il est vrai que son obtention par spallation n'est pas à la portée de tout le monde et un seul fournisseur est répertorié (Los Alamos National Laboratory aux États-Unis).

Les valeurs très voisines des rayons covalents, des énergies d'ionisation et de l'electronégativité du magnésium, de l'aluminium, du silicium et du phosphore leur confèrent la possibilité de se substituer les uns pour les autres dans un certain nombre de composés.

Le silicium est essentiellement tétravalent, comme le carbone, mais l'atome de silicium est moins électroniquement chargé (1.8 contre 2.5 eV). Ses valences sont dirigées suivant les hauteurs d'un tétraèdre dont le silicium occupe le centre (si les 4 substituants sont identiques). La structure tétraédrique se retrouve pratiquement dans tous les silicates naturels (sauf les zéolites, la thaumasite, la stishovite, …)

L'ion Si⁴⁺ de rayon 0.39 Å est assez petit pour s'entourer de quatre ions O^2- disposés au sommet d'un tétraèdre. La distance Si - O est voisine de 1.62 Å, ce qui est inférieur à la somme des rayons des ions oxygène (1.32 Å) et silicium. Ceci révèle que les liaisons dans les composés minéraux n'ont pas un caractère purement ionique. Certains les décrivent comme mixtes : mi-covalentes /mi-ioniques.

Le silicium est nettement plus volumineux que le carbone (rayons atomiques respectifs 0.132 nm et 0.91 nm), ce qui entraîne que les liaisons impliquant le silicium sont comparativement plus longues que celles impliquant le carbone.

Le silicium étant plus lourd que le carbone et moins électronégatif (4.7  eV contre 6.27 eV), il ne donne de dérivés avec une double liaison qu’exceptionnellement (ils nécessitent une protection de la double liaison par des groupes encombrants), mais il peut avoir un nombre de coordination supérieur à quatre. Les liaisons Si - C peuvent avoir un certain caractère de double liaison.

Le silicium forme des liaisons fortes avec l'oxygène :

Si - O = 452 kJ/mol  alors que
 C - H = 411   "
 C - O = 358   "
 C - C = 348   "
 C - N = 305   "

Le silicium constitue environ 27.7 % de l'écorce terrestre ce qui en fait le deuxième élément naturel après l'oxygène. Il est toujours à l’état de combinaison jamais natif. Le minéral le plus abondant étant la silice (SiO₂). Il en existe trois variétés cristallines fondamentales, réversibles suivant la température et la pression :

quartz <-- 870 °C --> tridymite <-- 1470 °C --> cristobalite <-- 1710 °C --> liquide

Chaque atome de silicium est relié à quatre atomes d'oxygène, chacun de ceux-ci étant eux-mêmes reliés à deux atomes de silicium, l'ensemble formant un réseau tridimensionnel extrêmement stable et électroniquement neutre.

Mais on trouve aussi :

·        une forme vitreuse ou verre de silice ;

·        la silice hydratée, se présentant sous forme de gel ou de solution colloïdale (selon la concentration de la solution aqueuse) ;

·        la silice amorphe, gel déshydraté à température modérée.

Les remplacements isomorphiques sont très fréquents dans les silicates. Les éléments de même rayon atomique, et donc de même coordination, remplacent le silicium au centre des polyèdres d'oxygène. S'ils n'ont pas la même charge, ces remplacements porteront simultanément sur plusieurs cations pour que la neutralité électrique de l'ensemble soit réalisée. L'aluminium peut remplacer le silicium. Il est tétracoordonné pour les aluminosilicates, tels que les feldspaths, hexacoordonné pour les silicates d'aluminium. Dans un même silicate, l'aluminium peut être à la fois hexa- et tétracoordonné : c'est le cas des micas.

Les dérivés oxygénés du silicium possèdent un caractère acide ; SiO₂ est un anhydride d'acide. L'acide orthosilicique Si(OH)₄, forme de dissolution de la silice, et forme quasi exclusive de transport du silicium dans le milieu naturel, est un acide très faible (à 25°C : pK₁ = 9.8 et pK₂ = 12). Cet acide ne peut donc réagir avec des ions métalliques qu'à un pH juste inférieur au pH de précipitation de l'hydroxyde acide correspondant. Ceci exclut le Ca⁺⁺et le Mg⁺⁺ au pH physiologique de 7.4, mais permet la formation de liaisons avec le fer et l'aluminium. Ces composés de formule complexe, interviennent très probablement dans les phénomènes biochimiques métaboliques (11).

La chimie du silicium ressemble à celle du bore, de l'aluminium, du titane et du fer. En chimie organique, il est décrit des liaisons stables avec l'azote, le soufre, le carbone, le brome, le chlore, le fluor, et bien sûr l'oxygène.

Si(OH)₄ est très peu soluble en eau pure :

0°C     50 -  80 mg/l
25°C   100 - 150  "
100°C  360 - 440  "

Au-dessus de pH 9, l'acide silicique commence à s'ioniser et sa solubilité croit rapidement. Elle diminue par contre en présence de cations tels que le calcium, l'aluminium ou le fer, mais peut être augmentée par la présence de matière organiques dissoutes.

La silice anhydre est dix fois moins soluble que la silice amorphe hydratée (approx. 10 mg/l). Au delà de ces concentrations limites, les tétraèdres ont tendance à polymériser sous la forme de gels de silice : SiO_n(OH)_4-2n (0 £ n £ 2)

La teneur en silice dissoute est à peine décelable dans les couches superficielles des mers et océans. Dans les zones abyssales, elle est, en moyenne, de 3 mg/l.

Les eaux chaudes de certains geysers (Yellowstone-États Unis, Islande) peuvent contenir plusieurs centaines de milligrammes de silice par litre (jusqu'à 700).

L'interaction biologique qui devrait attirer le plus l'attention est la réactivité particulière de l'acide silicique pour les accepteurs d'electrons. Ainsi l'acide silicique réagit directement avec les groupements amines des protéines et les groupes esters phosphates des phospholipides. L'acide silicique est connu pour réagir avec tous les systèmes membranaires (naturels ou artificiels) et peut induire des changements significatifs de perméabilité

L'association de la silice aux matériaux organiques commence à être appréhendée. La surface des gels de silice, extrêmement hydroxylée, facilite la captation de nombreuses molécules organiques polaires, d'où leur utilisation en chromatographie. Les substances poly-hydroxylées des systèmes biologiques (en particulier les polysaccharides) interagissent avec les gels de silice par le biais de liaisons hydrogènes.

Par ailleurs on sait que le Germanium dont le comportement est souvent analogue au Silicium est méthylé par un processus biologique dans l'environnement marin (cf. CREAC'H & ADRIAN). L'utilisation biologique d'un dérivé méthylé du silicium que ce soit chez l'homme (cf. Chapitre 6 : Applications thérapeutiques) ou les bactéries fait penser qu'il existe au moins un système enzymatique (réversible ?) susceptible d'hydrolyser la liaison Si - C.

En pratique, l'atome de silicium est presque toujours associé à un (ou plusieurs) atome(s) d'oxygène. Cependant, la possibilité de liaisons directes avec l’azote, Si - N (composés penta coordinés) a donné naissance à la très riche famille des silatranes.

L'hydrolyse des liaisons - Si - O - Si - dans la silice et les silicates minéraux libérera éventuellement l'acide silicique en solution, et c'est sous cette forme que le silicium pénétre dans la biosphère.

La chimie de l'acide silicique et de ses polymères est dominée par les caractéristiques suivantes :

·        la capacité de l'acide silicique à se condenser pour former progressivement des dimères, trimères, etc. jusqu'à l'acide polysilicique sous forme de silice hydratée amorphe. La condensation est maximale pour un pH de 5.5 et fortement influencée par la présence de molécules polaires organiques ;

·        la capacité de l'acide silicique et de ses polymères à s'associer avec des molécules organiques polaires par des liaisons hydrogène ;

·        la capacités des groupements silanols à réagir avec des hydroxydes métalliques basiques. C'est le mécanisme suggéré pour expliquer la forte adsorption de l'acide silicique par les oxydes de fer et d'aluminium, avec des réactions telles que :
- Si - OH + Fe^III(OH)²⁺ ------> - Si - O - Fe^III - O + H⁺ + H₂O

·        la réactivité des groupements silanols avec des composés hydroxylés pour former des esters :
Si - OH + R - OH ------> - Si - O - R + H₂O
et la facilité avec laquelle l'ester peut s'échanger.

La dégradation des roches et des minéraux est influencée par la présence des plantes et des micro-organismes du sol. Les résidus organiques des plantes en décomposition, comme les acides fulviques et humiques, contribuent à la dégradation des minéraux du sol, par réaction avec des cations polyvalents (en particulier l'aluminium et le silicium) pour former des complexes (ou chélates). Si(OH)₄ est connu pour réagir avec les cis-diols, en particulier avec les catéchols , avec lesquels il peut former des complexe hypervalents (de coordination 5 ou 6), complexes également formés avec l'acide salicylique (qui est aussi un phénol).

3.2 Dosage du silicium

Les premières méthodes de dosage du silicium en milieu organique datent du début du siècle. Ce sont des techniques de gravimétrie après séparation chimique : précipitation par déshydratation acide et volatilisation sous forme d'acide fluorosilicique. Ce sont aussi des techniques d'extraction par solvants organiques. Ces techniques ne sont cependant pas assez sensibles pour l'analyse des faibles teneurs. Il faudra attendre les méthodes colorimétriques pour obtenir les premières informations précises.

La formation du complexe silico-molybdique jaune est mise en évidence par JOLIS et NEURATH en 1898. Cette réaction est utilisée dans une méthode d'analyse en 1923 par DIENERT et WANDENBULCHE, et est depuis à la base de toutes les méthodes de dosage du silicium par colorimétrie.

Il existe deux facteurs limitants à ce dosage :

·        la surabondance du silicium dans l'environnement, en particulier dans les poussières en suspension dans l'air. Si cette contamination ne pose guère de problèmes pour les végétaux, dont les concentrations en silicium sont relativement importantes, c'est un facteur d'erreur potentiellement considérable pour les tissus animaux. Il faut recouvrir systématiquement les récipients utilisés qui ne doivent pas être en verre. L'idéal serait de travailler en atmosphère filtrée (hotte à flux laminaire).

·        la présence de grandes quantités de phosphore dans les milieux biologiques. Le silicium et son suivant immédiat dans la classification périodique présentent de nombreuses similitudes : énergies d'ionisation et de transitions électronique profondes très proches (gênantes pour les méthodes de fluorescence X) et un comportement chimique semblable (ils se substituent facilement l'un à l'autre en particulier dans les molécules isostructurelles SiO₄ et PO₄). Les méthodes colorimétriques sont fortement perturbées par la formation d'un complexe phospho-molybdique qui possède des bandes spectrales d'absorption recouvrant celles des silicomolybdates. En outre, le silicium se trouve sur la voie de sortie de certaines réactions nucléaires sur le phosphore limitant ainsi considérablement la sensibilité des méthodes basées sur des réactions nucléaires promptes. Enfin, après activation par neutrons, ces deux éléments donnent les mêmes radioéléments.

Rappel sur les méthodes optiques de dosage

Lorsque les orbitales profondes sont excitées par un rayonnement ou une particule chargée, il y a émission d'un rayonnement X. Lorsque ce sont les orbitales externes qui sont impliquées, l'excitation et le rayonnement émis proviennent de la partie d'énergie plus basse du spectre électromagnétique : infrarouge, visible et ultraviolet proche. La perte d'énergie d'une radiation lumineuse dans une région spectrale bien définie est proportionnelle à la concentration de l'élément correspondant dans le milieu traversé (principe des méthodes de mesure par absorption atomique). Si le milieu à analyser est excité, principalement par échauffement, il émet des radiations caractéristiques dans le visible ou les régions adjacentes. L'énergie émise dans la bande spectrale correspondant à l'élément recherché est proportionnelle à sa concentration (méthodes de mesure par spectrométrie d'émission).

3.2.1 Colorimétrie

Cette méthode est basée sur la formation du complexe silicomolybdique Si(Mo₁₂O₄₀), obtenu par addition de molybdate d'ammonium en présence d'acide sulfurique. Les phosphates, germaniates et arséniates présents dans l'échantillon donnent des phosphomolybdates, germaniomolybdates et arséniomolybdates de couleur similaire. Le fer parasite aussi les colorations. La mesure peut s'effectuer directement ou après réduction en un composé de couleur bleue. La mesure directe d'absorption est souvent faite à 420 nm, mais lorsque l'appareillage le permet, le maximum d'absorption est obtenu dans l'ultraviolet à 350 nm (méthode au silicomolybdate). La mesure de la "méthode au bleu de molybdène" se fait à 850 nm (les phospho- et arsénio-molybdates participent également). La réduction du complexe améliore la sensibilité d'un facteur trois, ainsi que la stabilité de la couleur (qui peut être conservée plus de 12 heures). Il existe deux formes du composé silicomolybdique très difficiles à séparer : les formes alpha et bêta. Elles n'absorbent pas aux mêmes longueur d'onde et leur rapport évolue au cours du temps (bêta se transformant en alpha). Mais il est possible de contourner cette difficulté en travaillant à 335 nm où ces deux complexes ont la même absorbance.

Pour diminuer l'interférence des phosphates diverses propositions ont été faites :

·        phase d'acidification (H₂SO₄) avant la réduction des phosphomolybdates, qui permet d'inhiber ne partie la réduction des phosphomolybdates (KING). Mais la contribution des phosphates est encore trop élevée pour la détection des traces ;

·        AUSTIN préfère compléter l'action de l'acide sulfurique par de l'acide tartrique ;

·        d'autres auteurs utilisent l'acide oxalique ou citrique.

Pour certains, c'est la méthode de PARRI & SCOTTI, modifiée par RAMEL, qui serait apparemment la plus sûre (82). L'échantillon est minéralisé directement avec du carbonate acide de sodium, reprise du résidu par les acides sulfurique et nitrique. Le complexe silico-molybdique formé est réduit en bleu de molybdène par du chlorhydrate d'hydroxylamine associé à de l'hyposulfite de sodium. L'interférence des phosphates est éliminée par le citrate monoacide d'ammonium qui supprime en même temps l'action gênante du fer.

JANKOWIAK (98), après essai de ces différentes méthodes, fixe la limite de détection à 1 µg de silicium par ml en présence de 50 µg de phosphore pour les techniques basées sur les travaux de KING. Si la sensibilité est suffisante pour les dosages dans les tissus animaux, les concentrations beaucoup plus basses de silicium dans les fluides biologiques nécessitent de travailler à des rapports Si/P de 1/500. En ce cas, la précipitation des phosphates à l'acétate de calcium, l'addition d'acide oxalique et l'acide aminonaphtosulfonique comme agent réducteur donnent satisfaction. La limite de détection estimée est de 2 µg de silicium par gramme d'échantillon en présence de 2 mg de phosphore.

3.2.2 Spectrométrie d'absorption atomique

Les méthodes colorimétriques sont de plus en plus délaissées au profit de techniques plus directes permettent l'analyse d'échantillons tels quels ou après simple dilution. Les méthodes spectrophotométriques sont beaucoup moins sensible aux interférences. La source utilisée est monochromatique et non plus à large bande spectrale. La lampe est constituée par une cathode creuse en silicium sous argon. Parmi les deux raies émises à 251.6 nm et à 281.6 nm, la première est la plus utilisée en raison d'un meilleur rapport signal/bruit de fond.

Plusieurs techniques se différencient suivant la façon dont l'échantillon est introduit dans l'appareil. En spectrométrie de flamme, les échantillons sont directement vaporisés après légère dilution. L'excitation est produite par une flamme dioxyde d'azote-acétylène. La limite de détection de l'instrument, 1 µg/ml de silicium n'est cependant pas suffisante pour permettre l'analyse directe. Des quantités connues de standard doivent être rajoutées aux échantillons, les concentrations sont ensuite calculées par différence. Une température d'excitation insuffisante de la flamme (3000 °C) est la cause principale de ce manque de sensibilité : certaines molécules ne sont pas complètement dissociées et peuvent présenter des bandes d'absorption recouvrant celles de l'élément à analyser.

La spectrométrie à four de graphite, méthode plus récente, apporte une amélioration importante : l'échantillon, placé dans un creuset, est directement introduit dans l'appareil. Un cycle de chauffage programmé permet d'augmenter graduellement la température jusqu'à 3000 °C. Les fluides ou les tissus sont ainsi déshydratés, calcinés (400 à 900 °C), minéralisés (1200 à 1600 °C) puis vaporisés sans qu'aucune manipulation en soit nécessaire. Chaque cycle dure environ trois minutes, dont une dizaine de secondes pour l'analyse elle-même. LO & CHRISTIAN, analysant 10 µl de fluide biologique, fixent cette limite à quelques nanogrammes de silicium. La précision de la méthode, déterminée à partir de l'analyse d'une solution standard, est de 2 % pour une concentration de 2 µg/g et 10 µl de liquide analysé. BERLYNE trouve une limite de détection de quelques nanogrammes par millilitre (en pratique, deux ordres de grandeur de mieux que la spectrométrie de flamme).

3.2.3 Spectrométrie d'émission

Les méthodes de spectrométrie d'émission sont moins sensibles que les méthodes d'absorption. Les spectres sont plus complexes et les résonances induites moins marquées, avec des bruits de fond plus élevés. De plus, la reproductibilité n'est pas aussi bonne. L'intensité d'émission dépend directement de la source d'excitation qui est sujette à fluctuation. Peu de mesures de silicium ont été faites par ces méthodes. Cependant la spectrométrie d'émission couplée induite par plasma (torche à plasma) (ou DCP-AES : Direct Current Plasma - Atomic Emission Spectrometry) est intéressante car elle permet de doser simultanément deux éléments. L'échantillon doit être calciné, subir une fusion alcaline et être dilué dans des creusets en platine. Il est ensuit vaporisé par un flux d'argon dans un plasma produit par un générateur radiofréquence. LICHTE a pu doser simultanément silicium et aluminium, en utilisant une fréquence de 27 Mhz et des détections à 251.6 nm (Si) et 394.4 nm (Al). La limite de détection est évaluée à plusieurs dizaines de nanogrammes de silicium par gramme d'échantillon. (cf. TANAKA ref. 100)

Malheureusement la précision des dosages permises par les méthodes de spectrométrie les plus performantes (four graphite et torche à plasma) n'a été exploitée que par un faible nombre d'auteurs (disponibilité récente + coût). Or les concentrations de silicium dans les tissus biologiques évaluées par ces techniques sont systématiquement inférieures au valeurs obtenues par les méthodes colorimétriques ; il faut dès lors considérer les résultats anciens comme des ordres de grandeur très relatifs.

Le retard important sur la biologie du silicium vient sans aucun doute des difficultés de son dosage, si bien que de nombreux résultats historiques sont tellement sujets à caution qu'ils doivent être considérés avec circonspection. Une remise à plat globale, avec les précautions méthodologiques des systèmes de dosage modernes, ne serait pas superflue. L'échelle relative des concentrations tissulaires autrefois estimées est sans doute correcte, mais les valeurs absolues devraient sans doute être revues à la baisse.