Диоксид кремния

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

Диоксид кремния

Диоксид кремния
SiO2.svg
Sample of silicon dioxide.jpg
Общие
Систематическое
наименование    оксид кремния ​(IV)​
Традиционные названия    диоксид кремния; кремнезём
Хим. формула    SiO2
Физические свойства
Молярная масса    60.0843 г/моль
Плотность    от 1,96 до 2,6 г/см³
Удельное электрическое сопротивление    от 10¹¹ до 10¹³ Ом·м
Термические свойства
Температура
 • плавления    1600 °C
 • кипения    2950 °C
Давление пара    0 ± 1 мм рт.ст.[1]
Классификация
Рег. номер CAS    7631-86-9
PubChem    24261
Рег. номер EINECS    231-545-4
Кодекс Алиментариус    E551
RTECS    VV7565000
ChEBI    30563
ChemSpider    22683

Диоксид кремния (кремнезём, SiO2; лат. silica) — оксид кремния (IV). Бесцветные кристаллы с температурой плавления +1713…+1728 °C, обладающие высокой твёрдостью и прочностью.

Диоксид кремния — главный компонент почти всех земных горных пород, в частности, кизельгура. Из кремнезёма и силикатов состоит 87 % массы литосферы. В крови и плазме человека концентрация кремнезёма составляет 0,001 % по массе[2].

Свойства
Относится к группе кислотных оксидов.
При нагревании взаимодействует с основными оксидами и щелочами.
Молярная масса: 60,084 г/моль
Реагирует с плавиковой кислотой.
SiO2 относится к группе стеклообразующих оксидов, то есть склонен к образованию переохлаждённого расплава — стекла.
Диэлектрик (электрический ток не проводит, если не имеет примесей и не нагревается).
Полиморфизм
Диоксид кремния имеет несколько полиморфных модификаций.

Самая распространённая из них на поверхности земли — α-кварц — кристаллизуется в тригональной сингонии. При нормальных условиях диоксид кремния чаще всего находится в полиморфной модификации α-кварца, которая при температуре выше +573 °C обратимо переходит в β-кварц. При дальнейшем повышении температуры кварц переходит в тридимит и кристобалит. Эти полиморфные модификации устойчивы при высоких температурах и низких давлениях.

В природе также встречаются формы — опал, халцедон, кварцин, лютецит, аутигенный кварц, которые относятся к группе кремнезёма. Опал (SiO2·nH2O) в шлифе бесцветен, изотропен, имеет отрицательный рельеф, отлагается в морских водоёмах, входит в состав многих кремнистых пород. Халцедон, кварцин, лютецит — SiO2 — представляют собой скрытокристаллические разновидности кварца. Образуют волокнистые агрегаты, розетки, сферолиты, бесцветные, голубоватые, желтоватые. Отличаются между собой некоторыми свойствами — у халцедона и кварцина — прямое погасание, у лютецита — косое, у халцедона — отрицательное удлинение.

При высоких температуре и давлении диоксид кремния сначала превращается в коэсит (который в 1953 году был синтезирован американским химиком Лорингом Коэсом), а затем — в стишовит (который в 1961 году был синтезирован С. М. Стишовым, а в 1962 году был обнаружен в кратере Бэрринджера (кратере Аризонского метеорита)[3][4]. Согласно некоторым исследованиям[каким?], стишовит слагает значительную часть мантии, так что вопрос о том, какая разновидность SiO2 наиболее распространена на Земле, пока не имеет однозначного ответа.[источник не указан 204 дня]

Также имеет аморфную модификацию — кварцевое стекло.

Химические свойства
Диоксид кремния SiO2 — кислотный оксид, не реагирующий с водой.

Химически стоек к действию кислот, но реагирует с газообразным фтороводородом:

{displaystyle {mathsf {SiO_{2}+4HFrightarrow SiF_{4}+2H_{2}O}}}{mathsf  {SiO_{2}+4HFrightarrow SiF_{4}+2H_{2}O}}
и плавиковой кислотой:

{displaystyle {mathsf {SiO_{2}+6HFrightarrow H_{2}[SiF_{6}]+2H_{2}O}}}{mathsf  {SiO_{2}+6HFrightarrow H_{2}[SiF_{6}]+2H_{2}O}}
Эти две реакции широко используют для плавления стекла.

При сплавлении SiO2 с щелочами и основными оксидами, а также с карбонатами активных металлов образуются силикаты — соли не имеющих постоянного состава очень слабых, нерастворимых в воде кремниевых кислот общей формулы xH2O·ySiO2 (довольно часто в литературе упоминаются не кремниевые кислоты, а кремниевая кислота, хотя фактически речь при этом идёт об одном и том же веществе).

Например, может быть получен ортосиликат натрия:

{displaystyle {mathsf {SiO_{2}+4NaOHrightarrow Na_{4}SiO_{4}+2H_{2}O}}}{mathsf  {SiO_{2}+4NaOHrightarrow Na_{4}SiO_{4}+2H_{2}O}}
метасиликат кальция:

{displaystyle {mathsf {SiO_{2}+CaOrightarrow CaSiO_{3}}}}{mathsf  {SiO_{2}+CaOrightarrow CaSiO_{3}}}
или смешанный силикат кальция и натрия:

{displaystyle {mathsf {Na_{2}CO_{3}+CaCO_{3}+6SiO_{2}rightarrow Na_{2}CaSi_{6}O_{14}+2CO_{2}}}}{mathsf  {Na_{2}CO_{3}+CaCO_{3}+6SiO_{2}rightarrow Na_{2}CaSi_{6}O_{{14}}+2CO_{2}}}
Из силиката Na2CaSi6O14 (Na2O·CaO·6SiO2) изготовляют оконное стекло.

Большинство силикатов не имеет постоянного состава. Из всех силикатов растворимы в воде только силикаты натрия и калия. Растворы этих силикатов в воде называют жидким стеклом. Из-за гидролиза эти растворы характеризуются сильно щелочной средой. Для гидролизованных силикатов характерно образование не истинных, а коллоидных растворов. При подкислении растворов силикатов натрия или калия выпадает студенистый белый осадок гидратированных кремниевых кислот.

Главным структурным элементом как твёрдого диоксида кремния, так и всех силикатов, выступает группа [SiO4/2], в которой атом кремния Si окружен тетраэдром из четырёх атомов кислорода О. При этом каждый атом кислорода соединён с двумя атомами кремния. Фрагменты [SiO4/2] могут быть связаны между собой по-разному. Среди силикатов по характеру связи в них фрагментов [SiO4/2] выделяют островные, цепочечные, ленточные, слоистые, каркасные и другие.

Получение
Синтетический диоксид кремния получают нагреванием кремния до температуры +400…+500 °C в атмосфере кислорода, при этом кремний окисляется до диоксида SiO2. А также термическим оксидированием при больших температурах.

В лабораторных условиях синтетический диоксид кремния может быть получен действием кислот, даже слабой уксусной, на растворимые силикаты. Например:

{displaystyle {mathsf {Na_{2}SiO_{3}+2CH_{3}COOHrightarrow 2CH_{3}COONa+H_{2}SiO_{3}downarrow }}}{mathsf  {Na_{2}SiO_{3}+2CH_{3}COOHrightarrow 2CH_{3}COONa+H_{2}SiO_{3}downarrow }}
кремниевая кислота сразу распадается на воду и SiO2, выпадающий в осадок.

Натуральный диоксид кремния в виде песка используется там, где не требуется высокая чистота материала.

Применение
Ссылки на источники
В этом разделе не хватает ссылок на источники информации.
Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 1 июля 2014 года.
Аморфный непористый диоксид кремния применяется в пищевой промышленности в качестве вспомогательного вещества E551, препятствующего слёживанию и комкованию, в парафармацевтике (зубные пасты), в фармацевтической промышленности в качестве вспомогательного вещества (внесён в большинство фармакопей), для стабилизации суспензий и линиментов, в качестве загустителя мазевых основ, наполнителя таблеток и суппозиториев. Он входит в состав композиции пломбировочных материалов, снижает гигроскопичность сухих экстрактов, замедляет выход БАВ из различных лекарственных форм; в качестве пищевых добавок и сорбента, а также матриц для создания лекарственных форм с заданными свойствами — так как нет кристаллической структуры (аморфен) — безопасен[5], а также в качестве пищевой добавки или лекарственного препарата в качестве энтеросорбента Полисорб МП с широким спектром применения с учётом высокой удельной поверхности сорбции (в интервале 300—400 м²) на 1 г основного вещества.

Диоксид кремния применяют в производстве стекла, керамики, абразивов, бетонных изделий, для получения кремния, как наполнитель в производстве резин, при производстве кремнезёмистых огнеупоров, в хроматографии и другом.
Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическими свойствами и поэтому используются в радиотехнике, ультразвуковых установках, в зажигалках, в изготовлении оргонитов.

Также используется для производства волоконно-оптических кабелей. Используется чистый плавленый диоксид кремния с добавкой в него некоторых специальных ингредиентов.

Кремнезёмная нить также используется в нагревательных элементах электронных сигарет, так как хорошо впитывает жидкость и не разрушается под нагревом спирали.

Также диоксид кремния нашёл наиболее широкое применение в шинной промышленности, производстве РТИ и пластмасс, химической промышленности, машиностроении, а в ряде конкретных операций:

как носитель катализаторов и химических средств защиты растений;
в качестве сорбентов и фильтровальных порошков для регенерации нефтепродуктов;
как высококачественный флюс в процессах цветной металлургии;
как сырьё для производства экологически чистого стекла, стеклотары и хрусталя;
как наполнитель в бумагу и картон для получения гигиенически чистых упаковочных материалов для пищевой промышленности;
фильтрующие порошки для пива, масел, соков, матирующие добавки в лаки и краски;
для получения карбида кремния в машиностроении — керамические двигатели, детали для авиастроительного комплекса;
для получения кристаллического кремния в электронной и электротехнической промышленностях, керамические электроизоляторы, стекловолокна, волоконная оптика, супертонкое волокно;
для синтеза искусственных цеолитов в нефтехимии — крекинг нефти и прочее.
Крупные прозрачные кристаллы кварца используются в качестве полудрагоценных камней; бесцветные кристаллы называют горным хрусталём, фиолетовые — аметистами, жёлтые — цитрином.

В микроэлектронике диоксид кремния является одним из основных материалов. Его применяют в качестве изолирующего слоя (например, подзатворного диэлектрика в полевых транзисторах), а также в качестве защитного покрытия. Получают в виде тонких плёнок термическим окислением кремния, химическим осаждением из газовой фазы, магнетронным распылением.

Пористые кремнезёмы
Пористые кремнезёмы получают различными методами.

Силохром получают путём агрегирования аэросила, который, в свою очередь, получают сжиганием силана (SiH4). Силохром характеризуется высокой чистотой, низкой механической прочностью. Характерный размер удельной поверхности 60—120 м²/г. Применяется в качестве сорбента в хроматографии, наполнителя резин, катализе.

Силикагель получают путём высушивания геля кремниевой кислоты. В сравнении с силохромом обладает меньшей чистотой, однако может обладать чрезвычайно развитой поверхностью: обычно от 300 м²/г до 700 м²/г .

Кремниевый аэрогель приблизительно на 99,8 % состоит из воздуха и может иметь плотность до 1,9 кг/м³ (всего в 1,5 раза больше плотности воздуха).

Токсичность
Вещество малотоксично. ПДК в рабочей зоне - 3 мг/м³. ЛД50 на крысах - 3500 мг/кг.
При попадании диоксида кремния в ткани организма происходит возникновение и постепенное развитие гранулом. При вдыхании пыли происходит раздражение дыхательных путей, также возникают различные заболевания пищевого тракта. Постоянное воздействие пыли может вызвать силикоз лёгких

Диоксид кремния

Диоксид кремния, также известный как диоксид кремния, представляет собой оксид кремния с химической формулой SiO2, наиболее часто встречающийся в природе в виде кварца и в различных живых организмах. [5] [6] Во многих частях мира кремнезем является основным компонентом песка. Кремнезем - одно из самых сложных и распространенных семейств материалов, существующее как соединение нескольких минералов и как синтетический продукт. Известные примеры включают плавленый кварц, коллоидальный диоксид кремния, силикагель и аэрогели. Он используется в конструкционных материалах, микроэлектронике (в качестве электроизолятора), а также в качестве компонентов в пищевой и фармацевтической промышленности.

Вдыхание мелкодисперсного кристаллического кремнезема токсично и может привести к серьезному воспалению легочной ткани, силикозу, бронхиту, раку легких и системным аутоиммунным заболеваниям, таким как волчанка и ревматоидный артрит. Вдыхание аморфного диоксида кремния в высоких дозах приводит к непостоянному краткосрочному воспалению, при котором все эффекты проходят. [7]

Структура

Структурный мотив, обнаруженный в α-кварце, но также обнаруженный почти во всех формах диоксида кремния.

Связь между показателем преломления и плотностью для некоторых форм SiO2 [8]
В большинстве силикатов атом кремния имеет тетраэдрическую координацию с четырьмя атомами кислорода, окружающими центральный атом Si. Самый распространенный пример - кварцевые полиморфы. Это твердое тело с трехмерной сеткой, в которой каждый атом кремния тетраэдрически ковалентно связан с 4 атомами кислорода.

Например, в элементарной ячейке α-кварца центральный тетраэдр разделяет все четыре своих угловых атома O, два гранецентрированных тетраэдра имеют общие два своих угловых атома O, а четыре реброцентрированных тетраэдра имеют общий только один из своих Атомы O с другими тетраэдрами SiO4. Это оставляет чистое среднее значение 12 из 24 общих вершин для той части семи тетраэдров SiO4, которые считаются частью элементарной ячейки для кремнезема (см. 3-D элементарную ячейку).

SiO2 имеет ряд различных кристаллических форм (полиморфов) в дополнение к аморфным формам. За исключением стишовита и волокнистого кремнезема, все кристаллические формы включают тетраэдрические единицы SiO4, связанные вместе общими вершинами. Длина связи кремний-кислород варьируется между различными кристаллическими формами; например, в α-кварце длина связи составляет 161 пм, тогда как в α-тридимите она находится в диапазоне 154–171 пм. Угол Si-O-Si также варьируется от небольшого значения 140 ° в α-тридимите до 180 ° в β-тридимите. В α-кварце угол Si-O-Si составляет 144 °. [9]

Волокнистый кремнезем имеет структуру, аналогичную SiS2, с цепочками тетраэдров SiO4 с общими ребрами. Стишовит, форма с более высоким давлением, напротив, имеет структуру, подобную рутилу, где кремний является 6-координатным. Плотность стишовита составляет 4,287 г / см3, что сопоставимо с плотностью α-кварца, самой плотной из форм низкого давления, который имеет плотность 2,648 г / см3 [10]. Разницу в плотности можно приписать увеличению координации, поскольку шесть самых коротких длин связей Si-O в стишовите (четыре длины связи Si-O 176 пм и две другие 181 пм) превышают длину связи Si-O ( 161 пм) в α-кварце. [11] Изменение координации увеличивает ионность связи Si-O [12]. Что еще более важно, любые отклонения от этих стандартных параметров представляют собой микроструктурные различия или вариации, которые представляют собой подход к аморфному, стекловидному или стекловидному телу.

Единственная стабильная форма при нормальных условиях - альфа-кварц, в котором обычно встречается кристаллический диоксид кремния. В природе примеси в кристаллическом α-кварце могут окрашивать (см. Список). Высокотемпературные минералы, кристобалит и тридимит, имеют как более низкие плотности, так и показатели преломления, чем кварц. Поскольку состав идентичен, причина расхождений должна быть в увеличенном интервале высокотемпературных минералов. Как это часто бывает со многими веществами, чем выше температура, тем дальше друг от друга находятся атомы из-за повышенной энергии колебаний.

Превращение α-кварца в бета-кварц происходит скачкообразно при 573 ° C. Поскольку преобразование сопровождается значительным изменением объема, оно может легко вызвать разрушение керамики или горных пород, выходящих за этот температурный предел [13].

Однако минералы высокого давления, сейфертит, стишовит и коэсит, имеют более высокие плотности и показатели преломления, чем кварц. Вероятно, это связано с интенсивным сжатием атомов, происходящим во время их образования, что приводит к более плотной структуре. [14]

Кремнезем фожазита - еще одна форма кристаллического кремнезема. Его получают деалюминированием сверхустойчивого цеолита Y с низким содержанием натрия при комбинированной кислотной и термической обработке. Полученный продукт содержит более 99% кремнезема, имеет высокую кристалличность и площадь поверхности (более 800 м2 / г). Фожазит-кремнезем имеет очень высокую термическую и кислотную стабильность. Например, он поддерживает высокую степень дальнего молекулярного порядка или кристалличности даже после кипячения в концентрированной соляной кислоте. 

Расплавленный кремнезем проявляет несколько специфических физических характеристик, аналогичных тем, которые наблюдаются в жидкой воде: отрицательное температурное расширение, максимум плотности при температурах ~ 5000 ° C и минимум теплоемкости [16]. Его плотность уменьшается с 2,08 г / см3 при 1950 ° C до 2,03 г / см3 при 2200 ° C. [17]

Молекулярный SiO2 с линейной структурой образуется, когда молекулярный монооксид кремния SiO конденсируется в матрице аргона, охлаждаемой гелием, вместе с атомами кислорода, генерируемыми микроволновым разрядом. Димерный диоксид кремния (SiO2) 2 был получен взаимодействием O2 с матричным изолированным димерным монооксидом кремния (Si2O2). В димерном диоксиде кремния есть два атома кислорода, соединяющие атомы кремния с углом Si-O-Si 94 ° и длиной связи 164,6 мкм, а длина концевой связи Si-O составляет 150,2 мкм. Длина связи Si-O составляет 148,3 пм, что сопоставимо с длиной 161 пм в α-кварце. Энергия связи оценивается в 621,7 кДж / моль.