silice (suite)

Les transformations du quartz en tridymite et en cristobalite entraînent une modification profonde des structures atomiques et des propriétés physiques ; ces transformations, que l’on a qualifiées indirectes ou non paramorphiques, ou encore reconstructives, sont lentes, difficiles et sont facilitées par l’intervention d’une substance étrangère, dite minéralisateur. L’Américain Fenner, qui, en 1913, a établi, le premier, le diagramme d’équilibre, à la pression atmosphérique, des trois formes de silice, quartz-tridymite-cristobalite, utilisait le tungstate de sodium ; Le Chatelier se servait de faibles quantités de chaux. Les transformations polymorphiques de la silice entraînent d’importantes variations de volume, et, comme les industries de la céramique et de la verrerie utilisent des quantités importantes de briques de silice réfractaires pour la fabrication des fours, il importe de transformer au meilleur prix la matière première, qui est le quartz, sous la forme de quartzite, de grès, de silex dans un mélange de tridymite et de cristobalite. Aussi, depuis Fenner et Le Chatelier, de nombreux travaux et brevets d’invention ont-ils paru sur les mélanges d’oxydes alcalins, alcalino-terreux et d’alumine, qui, agissant comme minéralisateurs, facilitent cette transformation du quartz.

Le quartz pur, qui est métastable au-dessus de 870 °C, commence à fondre vers 1 500 °C, et c’est ainsi que l’on fabrique le verre de silice, utilisé dans l’industrie surtout pour l’optique et comme isolant électrique. Le verre de silice pure se dévitrifie en cristobalite quand on le chauffe au-dessus de 1 000 °C.

Propriétés chimiques

La silice pure utilisée en chimie et dans l’industrie est le quartz naturel, qui réagit d’autant plus facilement qu’il est plus finement broyé. Cependant, pour certains usages, en particulier pour l’obtention de certains verres de silice, on utilise l’hydrolyse de composés tels que SiCl₄ ou SiF₄. La silice est attaquée par l’acide fluorhydrique, et cette réaction est utilisée dans la gravure sur verre. La silice chauffée avec les oxydes ou les carbonates des métaux alcalins ou alcalino-terreux se dissout en fournissant des silicates.

Action de l’eau

La silice se dissout dans l’eau sous la forme de Si(OH)₄. La solubilité de 0,140 g/l à 25 °C n’est jamais atteinte dans les eaux naturelles ; cette solubilité augmente avec la température et avec la pression dans l’eau supercritique. Ainsi, elle dépasse 20 p. 100 à 500 °C et 1 000 bars. Cette action de l’eau, quand la température et la pression s’élèvent, en rendant la silice très mobile, a une importance géochimique capitale pour la genèse et la transformation des roches.

Effets physiologiques

Les poussières de silice pénétrant dans le poumon provoquent une intoxication avec la formation, par un processus encore mal élucidé, d’un tissu fibreux caractéristique de la silicose.

Propriétés des différentes silices

La coésite (monoclinique) et la stishovite (quadratique) sont des minéraux recherchés, car leur présence révèle l’action d’une pression élevée produite par l’onde de choc d’une météorite. La mélanophlogite est une rareté minéralogique. La tridymite et la cristobalite se trouvent en faible quantité dans des roches volcaniques et dans certaines météorites ; ces minéraux jouent un rôle important dans les industries de la céramique et des réfractaires. Si le quartz et la cristobalite sont des formes de silices pures, par contre la tridymite, naturelle ou artificielle, contient toujours des quantités notables d’impuretés : Na, K, Ca, Al. Et des expériences de purification de la tridymite par diffusion des ions sous l’effet d’un champ électrique vers 1 100 °C, indiquent qu’elle se transforme en cristobalite, de sorte que le domaine de stabilité 870 à 1 470 °C de la tridymite ne correspondrait pas à une silice SiO₂ pure.

Le verre de silice

La fusion du quartz fournit un verre renfermant des bulles gazeuses qui lui donnent un aspect blanc laiteux et lui font perdre toute transparence. Par un traitement convenable au chalumeau, on le débarrasse de ces inclusions gazeuses, et le verre homogène de silice ainsi obtenu reçoit des applications en optique pour sa transparence remarquable dans le spectre visible, dans l’ultraviolet et dans l’infrarouge. Ses qualités d’excellent isolant électrique ainsi que sa très faible dilatation thermique sont aussi utilisées dans l’industrie. À l’état naturel, le verre de silice se trouve dans les fulgurites produites par la foudre sur des sables (Sahara).

Le quartz

C’est un des constituants essentiels des roches éruptives, métamorphiques et sédimentaires ; l’écorce terrestre en contient 12 p. 100 de son poids. On le trouve parfois en cristaux de grande dimension, que l’industrie recherche pour des applications optiques et électriques.

Propriétés physiques

Le quartz se présente le plus souvent sous la forme d’un prisme hexagonal dont les faces présentent des stries perpendiculaires à l’axe ; ce prisme est surmonté par une double pyramide hexagonale. Il possède un axe ternaire avec trois axes binaires perpendiculaires ; comme le réseau cristallin est hexagonal, il en résulte une symétrie du cristal quatre fois plus petite que celle du réseau, ce qui entraîne la présence fréquente de macles. Le plus souvent, un cristal d’apparence homogène est maclé, ce qui le rend impropre à certains usages industriels. Le quartz présente une cassure conchoïdale, vitreuse, et sa dureté est 7 dans l’échelle de Mohs. Du point de vue optique, c’est un uniaxe positif ; c’est sur le quartz que Biot découvrit en 1814 le phénomène de pouvoir rotatoire. Le quartz est transparent dans l’ultraviolet jusque 170 nm et constitue la matière première de la fabrication des prismes des spectrographes.

C’est aussi sur le quartz que Jacques et Pierre Curie découvrirent en 1880 le phénomène de piézoélectricité, dont les applications en électronique sont considérables. Le quartz, qui demeure toujours l’une des substances cristallisées pour de tels usages, provient du Brésil ou de Madagascar. Mais le quartz naturel est concurrencé par des lames de quartz de synthèse, que l’industrie obtient dans de grands autoclaves, par voie hydrothermale, entre 400 et 500 °C, sous des pressions d’eau de 1 000 bars.