Sels dérivant de la silice.

Importance industrielle et géochimique

Les silicates sont, pour la plupart, des composés inorganiques naturels, dont l’importance industrielle et géochimique est considérable. Ce sont les matières premières des industries du bâtiment, de la verrerie, de la céramique ; ce sont aussi les constituants des laitiers métallurgiques.

Du point de vue géochimique, ils constituent la quasi-totalité de l’écorce terrestre, plus de 90 p. 100 en poids. Huit éléments, en se combinant, constituent la quasi-totalité de la lithosphère. Ce sont, dans l’ordre d’abondance (en poids pour 100) : l’oxygène 46,60, le silicium 27,72, l’aluminium 8,13, le fer 5,00, le calcium 3,63, le sodium 2,83, le potassium 2,59, le magnésium 2,09. L’ensemble de tous les autres éléments chimiques n’intervient ainsi que pour 1,41 p. 100. L’écorce terrestre apparaît ainsi comme un mélange de silicates dans lesquels les anions oxygène O^2– prédominent en poids et en volume (90 p. 100 du volume) ; les assemblages d’anions sont cimentés par les cations, beaucoup moins volumineux et qui sont, dans l’ordre d’abondance, Si⁴⁺, Al³⁺, Fe²⁺, Ca²⁺, Na⁺, K⁺ et Mg²⁺. Ces silicates sont les feldspaths avec 60 p. 100, les pyroxènes et les amphiboles avec 17 p. 100, le quartz avec 12 p. 100, les micas avec 4 p. 100. Si, de plus, l’on envisage l’ensemble des météorites, les silicates, sous la forme d’olivine et de pyroxènes, en sont aussi les constituants dominants, avec les éléments suivants, qui comptent pour plus de 1 p. 100 en poids : l’oxygène (32,30 p. 100), le fer (28,80), le silicium (16,30), le magnésium (12,30), le soufre (2,12), le nickel (1,57), l’aluminium (1,38), le calcium (1,33). Ces données soulignent le rôle géochimique essentiel des silicates.

La situation des silicates dans la chimie inorganique

Les silicates, malgré leur importance, ont constitué longtemps l’un des chapitres les plus obscurs de la chimie minérale. Ce sont le plus souvent des solutions solides, dans lesquelles de nombreux éléments interviennent par le jeu de l’isomorphisme, dont l’analyse chimique est souvent longue et difficile. Et l’idée moléculaire, qui a longtemps prévalu, en faisant des silicates des sels d’acides siliciques purement hypothétiques, conduisait à mutiler la précision des analyses chimiques pour traduire celles-ci dans des formules qui masquaient les parentés minéralogiques. Ainsi, les minéralogistes réunissaient dans une même famille, comme celle des micas, des minéraux dont les propriétés cristallographiques et physiques sont très voisines, mais dont la composition chimique est très variable. Dans l’analyse chimique, l’attention se porte sur les proportions mutuelles des différents cations, tandis que les anions, essentiellement l’ion oxygène non dosé directement, n’intervenaient que pour balancer les charges positives des cations. Il en résultait, pour les différents micas, des formules chimiques très différentes, qui soulignaient le divorce entre la chimie et la minéralogie. C’est la détermination des structures atomiques, grâce à la diffraction cristalline des rayons X, initiée par W. L. Bragg, et la nouvelle cristallochimie, avec V. Goldschmidt, qui ont mis d’accord chimistes et minéralogistes. Ainsi, les motifs cristallins de tous les micas ont en commun la même somme égale à 12 des anions O^2– et F^–. Ce sont ces ions, les plus nombreux et les plus volumineux, avec le même arrangement géométrique, qui caractérisent les minéraux de la famille des micas. La cristallochimie, qui se fonde sur des analyses chimiques précises, sur la détermination du réseau cristallin grâce aux rayons X et sur des mesures de densités, a considérablement clarifié notre connaissance des silicates. Dans tous ces composés, on retrouve le même tétraèdre quasi régulier SiO₄, formant un anion de charge – 4 avec quatre anions O^2– de diamètre 2,6 Å au contact ; les centres des anions constituent un tétraèdre, au centre duquel se loge le cation Si⁴⁺ de rayon 0,39 Å. C’est l’assemblage de ces tétraèdres qui détermine le milieu cristallin des différents silicates. Il faut souligner le rôle particulier de l’ion aluminium Al³⁺, dont le rayon 0,57 Å marque la limite où la coordination des cations, par rapport à l’oxygène, passe de 4 à 6. Avec la coordination 4, cet ion joue le rôle structural du silicium : c’est le cas des aluminosilicates. Avec la coordination 6, il se place au centre d’un octaèdre régulier AlO₆ d’ions oxygène. Il peut même intervenir avec ces deux aspects chimiques dans un même silicate.