Dwutlenek krzemu - Silicon dioxide

Próbka dwutlenku krzemu.jpg
Nazwy
Nazwa IUPAC
Dwutlenek krzemu
Inne nazwy
Identyfikatory
CZEBI
ChemSpider
Karta informacyjna ECHA 100.028.678 Edytuj to na Wikidata
Numer WE
Numer E E551 (regulatory kwasowości, ...)
200274
KEGG
Siatka Krzem + dwutlenek
Identyfikator klienta PubChem
Numer RTECS
UNII
  • InChI=1S/O2Si/c1-3-2 sprawdzaćTak
    Klucz: VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N sprawdzaćTak
Nieruchomości
SiO 2
Masa cząsteczkowa 60,08 g/mol
Wygląd zewnętrzny Przezroczysta substancja stała (bezpostaciowa) biała/białawożółta (proszek/piasek)
Gęstość 2,648 (α-kwarc), 2,196 (bezpostaciowy) g·cm -3
Temperatura topnienia 1713 ° C (3115 ° F; 1986 K) (bezpostaciowy) do
Temperatura wrzenia 2950 ° C (5340 ° F; 3220 K)
-29,6 x 10 -6 cm 3 / mol
Przewodność cieplna 12 (|| oś c), 6,8 (⊥ oś c), 1,4 (przed południem) W/(m⋅K)
1,544 ( o ), 1,553 (e)
Zagrożenia
NFPA 704 (ognisty diament)
0
0
0
NIOSH (limity ekspozycji dla zdrowia w USA):
PEL (dopuszczalne)
TWA 20 mppcf (80 mg/m 3 /%SiO 2 ) (bezpostaciowy)
REL (zalecane)
TWA 6 mg/m 3 (bezpostaciowy)
Ca TWA 0,05 mg/m 3
IDLH (Bezpośrednie niebezpieczeństwo)
3000 mg/m 3 (bezpostaciowy)
Ca [25 mg/m 3 (krystobalit, trydymit); 50 mg / m 3 (kwarc)]
Związki pokrewne
Powiązane diony
Dwutlenek węgla

Dwutlenek germanu Dwutlenek
cyny Dwutlenek
ołowiu

Związki pokrewne
Tlenek krzemu

Siarczek krzemu

Termochemia
42 J · mol -1 · K -1
-911 kJ·mol -1
O ile nie zaznaczono inaczej, dane podano dla materiałów w ich stanie standardowym (przy 25 °C [77 °F], 100 kPa).
☒n zweryfikuj  ( co to jest   ?) sprawdzaćTak☒n
Referencje do infoboksu

Dwutlenek krzemu , znany także jako krzemionki , to tlenek o krzemu o wzorze chemicznym Si O 2 , najczęściej występującą w naturze jak kwarc oraz w różnych organizmach żywych. W wielu częściach świata krzemionka jest głównym składnikiem piasku . Krzemionka jest jedną z najbardziej złożonych i najliczniejszych rodzin materiałów, występującą jako związek kilku minerałów i jako produkt syntetyczny. Godne uwagi przykłady obejmują topiony kwarc , zmatowioną krzemionkę , żel krzemionkowy i aerożele . Znajduje zastosowanie w materiałach konstrukcyjnych, mikroelektronice (jako izolator elektryczny ) oraz jako komponenty w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym.

Struktura

Motyw strukturalny występujący w kwarcu α, ale także występujący w prawie wszystkich formach dwutlenku krzemu
Typowa podjednostka dla niskociśnieniowego dwutlenku krzemu
Zależność między współczynnikiem załamania a gęstością dla niektórych form SiO 2

W większości krzemianów atom krzemu wykazuje koordynację czworościenną , z czterema atomami tlenu otaczającymi centralny atom Si ( patrz komórka elementarna 3-D ). Tak więc, SiO 2 formy 3-wymiarowe części stałych sieci, w której każdy atom krzemu jest związany kowalencyjnie w czworościennej sposób do 4 atomów tlenu. Natomiast CO 2 jest cząsteczką liniową. Wyraźnie odmienna struktura dwutlenków węgla i krzemu jest przejawem zasady podwójnego wiązania .

SiO 2 ma kilka odrębnych form krystalicznych , ale prawie zawsze mają taką samą lokalną strukturę wokół Si i O. W α-kwarcu długość wiązania Si-O wynosi 161 µm, podczas gdy w α-trydymicie mieści się w zakresie 154–171 µm . Kąt Si-O-Si zmienia się również od niskiej wartości 140° w α-trydymicie do 180° w β-trydymicie. W kwarcu α kąt Si-O-Si wynosi 144°.

Wielopostaciowość

Kwarc alfa jest stabilną formą stałego SiO 2 w temperaturze pokojowej. Minerały wysokotemperaturowe, krystobalit i trydymit , mają zarówno niższe gęstości, jak i współczynniki załamania niż kwarc. Przekształcenie kwarcu α w kwarc beta następuje nagle w temperaturze 573 °C. Ponieważ przemianie towarzyszy znaczna zmiana objętości, może łatwo wywołać pękanie ceramiki lub skał przechodzących przez tę granicę temperatury. Minerały wysokociśnieniowe, seifertite , stiszowit i coezyt , choć mają wyższe gęstości i współczynników załamania światła niż kwarcu. Stishovit ma strukturę podobną do rutylu , w której krzem jest 6-współrzędny. Gęstość stiszowitu wynosi 4,287 g/cm 3 , co w porównaniu z α-kwarcem, najgęstszym z form niskociśnieniowych, ma gęstość 2,648 g/cm 3 . Różnicę w gęstości można przypisać wzrostowi koordynacji, ponieważ sześć najkrótszych długości wiązań Si-O w stiszowicie (cztery długości wiązań Si-O 176 μm i dwa inne 181 μm) są dłuższe niż długość wiązania Si-O ( 161 pm) w kwarcu α. Zmiana koordynacji zwiększa jonowość wiązania Si-O. Co ważniejsze, wszelkie odchylenia od tych standardowych parametrów stanowią różnice lub wariacje mikrostrukturalne, które reprezentują podejście do ciała amorficznego , szklistego lub szklistego.

Krzemionka faujasytowa , inny polimorf, jest otrzymywana przez odaluminiowanie ultrastabilnego zeolitu Y o niskiej zawartości sodu w połączeniu z obróbką kwasową i termiczną. Otrzymany produkt zawiera ponad 99% krzemionki, ma wysoką krystaliczność i powierzchnię właściwą (ponad 800 m 2 /g). Faujasite-krzemionka ma bardzo wysoką stabilność termiczną i kwasową. Na przykład zachowuje wysoki stopień uporządkowania molekularnego lub krystaliczności dalekiego zasięgu nawet po gotowaniu w stężonym kwasie solnym .

Stopiony SiO 2

Stopiona krzemionka wykazuje kilka szczególnych właściwości fizycznych, które są podobne do tych obserwowanych w ciekłej wodzie : ujemna rozszerzalność temperaturowa, maksymalna gęstość w temperaturach ~5000 °C i minimalna pojemność cieplna. Jego gęstość spada z 2,08 g/cm 3 w 1950 °C do 2,03 g/cm 3 w 2200 °C.

Molekularny SiO 2

Molekularny SiO 2 ma strukturę liniową jak CO
2
. Został wyprodukowany przez połączenie tlenku krzemu (SiO) z tlenem w matrycy argonowej . Dimeryczny dwutlenek krzemu (SiO 2 ) 2 uzyskano przez reakcję O 2 z matrycy izolowane tlenku krzemu, dimeryczny (Si 2 O 2 ). W dimerycznym ditlenku krzemu są dwa atomy tlenu połączone mostkiem między atomami krzemu o kącie Si-O-Si 94° i długości wiązania 164,6 µm, a długość końcowego wiązania Si-O wynosi 150,2 µm. Długość wiązania Si-O wynosi 148,3 µm, co w porównaniu z długością 161 µm w kwarcu α. Energię wiązania szacuje się na 621,7 kJ/mol.

Naturalne występowanie

Geologia

Si O 2 najczęściej występuje w przyrodzie jako kwarc , który stanowi ponad 10% masy skorupy ziemskiej. Kwarc to jedyny polimorf krzemionki stabilny na powierzchni Ziemi. Metastabilne wystąpienia form wysokociśnieniowych koezytu i stiszowitu zostały znalezione wokół struktur uderzeniowych i związane z eklogitami powstałymi podczas metamorfizmu ultrawysokiego ciśnienia . Wysokotemperaturowe formy trydymitu i krystobalitu znane są z bogatych w krzemionkę skał wulkanicznych . W wielu częściach świata krzemionka jest głównym składnikiem piasku .

Biologia

Chociaż jest słabo rozpuszczalny, krzemionka występuje w wielu roślinach, takich jak ryż . Materiały roślinne o wysokiej zawartości fitolitu krzemionkowego wydają się mieć znaczenie dla zwierząt wypasanych, od owadów żujących po zwierzęta kopytne . Krzemionka przyspiesza zużycie zębów, a wysoki poziom krzemionki w roślinach często zjadanych przez roślinożerców mógł rozwinąć się jako mechanizm obronny przed drapieżnikami.

Krzemionka jest również podstawowym składnikiem popiołu z łusek ryżowych , który jest wykorzystywany m.in. w filtracji oraz jako uzupełniający materiał cementujący (SCM) w produkcji cementu i betonu .

Od ponad miliarda lat krzemowanie w komórkach i przez komórki jest powszechne w świecie biologicznym. We współczesnym świecie występuje u bakterii, organizmów jednokomórkowych, roślin i zwierząt (bezkręgowców i kręgowców). Wybitne przykłady obejmują:

Minerały krystaliczne powstające w środowisku fizjologicznym często wykazują wyjątkowe właściwości fizyczne (np. wytrzymałość, twardość, odporność na pękanie) i mają tendencję do tworzenia struktur hierarchicznych, które wykazują porządek mikrostrukturalny w różnych skalach. Minerały krystalizują ze środowiska, które jest niedosycone krzemem, w warunkach neutralnego pH i niskiej temperatury (0–40 °C).

Nie jest jasne, w jaki sposób krzemionka jest ważna w żywieniu zwierząt . Ta dziedzina badań jest trudna, ponieważ krzemionka jest wszechobecna iw większości przypadków rozpuszcza się tylko w śladowych ilościach. Niemniej jednak z pewnością występuje w żywym ciele, stwarzając wyzwanie stworzenia kontroli bez krzemionki do celów badawczych. To sprawia, że ​​trudno jest być pewnym, kiedy obecna krzemionka ma operacyjnie korzystne efekty, a kiedy jej obecność jest przypadkowa, a nawet szkodliwa. Obecny konsensus jest taki, że z pewnością wydaje się to ważne dla wzrostu, siły i zarządzania wieloma tkankami łącznymi. Dotyczy to nie tylko twardych tkanek łącznych, takich jak kości i ząb, ale prawdopodobnie również biochemii struktur zawierających enzymy subkomórkowe.

Zastosowania

Zastosowanie strukturalne

Około 95% komercyjnego wykorzystania dwutlenku krzemu (piasek) występuje w budownictwie, np. do produkcji betonu ( beton portlandzki ).

Pewne złoża piasku kwarcowego o pożądanej wielkości i kształcie cząstek oraz pożądanej zawartości gliny i innych minerałów miały znaczenie dla odlewania piaskowego wyrobów metalowych. Wysoka temperatura topnienia krzemionki umożliwia jej zastosowanie w takich zastosowaniach, jak odlewanie żelaza; współczesne odlewanie piaskowe czasami wykorzystuje inne minerały z innych powodów.

Krzemionka krystaliczna jest wykorzystywana do szczelinowania hydraulicznego formacji zawierających ropę zamkniętą i gaz łupkowy .

Prekursor szkła i krzemu

Krzemionka jest podstawowym składnikiem w produkcji większości szkła . Ponieważ inne minerały są topione z krzemionką, zasada obniżania temperatury zamarzania obniża temperaturę topnienia mieszaniny i zwiększa płynność. Temperatura zeszklenia czystego SiO 2 wynosi około 1475 K. Gdy stopiony dwutlenek krzemu SiO 2 jest gwałtownie schładzany, nie krystalizuje, lecz zestala się w postaci szkła. Z tego powodu większość szkliw ceramicznych zawiera krzemionkę jako główny składnik.

Geometria strukturalna krzemu i tlenu w szkle jest podobna do geometrii kwarcu i większości innych form krystalicznych krzemu i tlenu z krzemem otoczonym przez regularne czworościany centrów tlenowych. Różnica między formami szklanymi i krystalicznymi wynika z połączenia jednostek czworościennych: Chociaż nie ma periodyczności dalekiego zasięgu w uporządkowaniu sieci szklistej, pozostaje ona w skalach długości znacznie przekraczających długość wiązania SiO. Jednym z przykładów takiego uporządkowania jest preferencja tworzenia pierścieni 6-tetraedrów.

Większość światłowodów dla telekomunikacji jest również wykonana z krzemionki. Jest podstawowym surowcem dla wielu wyrobów ceramicznych, takich jak ceramika , kamionka i porcelana .

Dwutlenek krzemu jest używany do produkcji krzemu pierwiastkowego . Proces polega na karbotermicznej redukcji w elektrycznym piecu łukowym :

Krzemionka koloidalna

Koloidalna krzemionka , znany także jako krzemionki koloidalnej, wytwarzany przez spalanie SiCU 4 w płomieniu wodoru bogatej w tlen z wytworzeniem „dymu” SiO 2 .

Może być również wytwarzany przez odparowanie piasku kwarcowego w łuku elektrycznym o temperaturze 3000 °C. W wyniku obu procesów powstają mikroskopijne kropelki amorficznej krzemionki stapiane w rozgałęzione, podobne do łańcucha, trójwymiarowe cząstki wtórne, które następnie aglomerują się w cząstki trzeciorzędowe, biały proszek o wyjątkowo niskiej gęstości nasypowej (0,03–15 g/cm 3 ), a tym samym o dużej powierzchni . Cząstki działają jako tiksotropowy środek zagęszczający lub jako środek przeciwzbrylający i można je poddać obróbce, aby uczynić je hydrofilowymi lub hydrofobowymi do zastosowań w wodzie lub cieczy organicznej

Produkowana krzemionka koloidalna o maksymalnej powierzchni 380 m 2 /g

Opary krzemionki to ultradrobny proszek, który jest produktem ubocznym produkcji stopu krzemu i żelazokrzemu . Składa się z amorficznych (niekrystalicznych) kulistych cząstek o średniej średnicy cząstek 150 nm, bez rozgałęzień produktu pirogennego. Głównym zastosowaniem jest jako materiał pucolanowy do betonu o wysokiej wydajności. Nanocząstki pirogenicznej krzemionki mogą być z powodzeniem stosowane jako środek przeciwstarzeniowy w lepiszczach asfaltowych.

Zastosowania spożywcze, kosmetyczne i farmaceutyczne

Krzemionka, zarówno koloidalna, strącana, jak i pirogeniczna, jest powszechnym dodatkiem w produkcji żywności. Stosowany jest przede wszystkim jako środek poprawiający płynność lub przeciwzbrylający w produktach spożywczych w proszku, takich jak przyprawy i bezmleczna śmietanka do kawy lub proszki do formowania tabletek farmaceutycznych. Może adsorbować wodę w zastosowaniach higroskopijnych . Koloidalnej krzemionki stosuje się jako środek klarowania wina, piwa i soków, za PL Numer odniesienia E551 .

W kosmetyce krzemionka jest przydatna ze względu na swoje właściwości rozpraszające światło i naturalną chłonność.

Ziemia okrzemkowa , produkt kopalniany, od wieków była stosowana w żywności i kosmetykach. Składa się z krzemionkowych skorupek mikroskopijnych okrzemek ; w mniej przetworzonej formie sprzedawany był jako „proszek do zębów”. Produkowana lub wydobywana uwodniona krzemionka jest stosowana jako twarde ścierniwo w paście do zębów .

Półprzewodniki

Dwutlenek krzemu jest szeroko stosowany w technologii półprzewodnikowej

  • do pasywacji pierwotnej (bezpośrednio na powierzchni półprzewodnika),
  • jako oryginalny dielektryk bramkowy w technologii MOS. Dzisiaj, gdy skalowanie (wymiar długości bramki tranzystora MOS) spadł poniżej 10 nm, dwutlenek krzemu został zastąpiony innymi materiałami dielektrycznymi, takimi jak tlenek hafnu lub podobny o wyższej stałej dielektrycznej w porównaniu z dwutlenkiem krzemu,
  • jako warstwa dielektryczna między warstwami metalu (okablowania) (czasami do 8-10) elementów łączących i
  • jako druga warstwa pasywacyjna (do ochrony elementów półprzewodnikowych i warstw metalizacji) typowo dziś pokryta kilkoma innymi dielektrykami, takimi jak azotek krzemu .

Ponieważ dwutlenek krzemu jest natywnym tlenkiem krzemu, jest on powszechnie stosowany w porównaniu z innymi półprzewodnikami, takimi jak arsenek galu czy fosforek indu .

Dwutlenek krzemu można hodować na powierzchni półprzewodnika krzemowego . Warstwy tlenku krzemu mogą chronić powierzchnie krzemu podczas procesów dyfuzyjnych i mogą być stosowane do maskowania dyfuzji.

Pasywacja powierzchni to proces, w którym powierzchnia półprzewodnika staje się obojętna i nie zmienia właściwości półprzewodnika w wyniku oddziaływania z powietrzem lub innymi materiałami w kontakcie z powierzchnią lub krawędzią kryształu. Powstawanie termicznie rosnącej warstwy dwutlenku krzemu znacznie zmniejsza koncentrację stanów elektronowych na powierzchni krzemu . Folie SiO 2 zachowują właściwości elektryczne złączy p–n i zapobiegają pogorszeniu tych właściwości elektrycznych przez gazowe środowisko otoczenia. Warstwy tlenku krzemu można wykorzystać do stabilizacji elektrycznej powierzchni krzemu. Proces pasywacji powierzchni jest ważną metodą wytwarzania urządzeń półprzewodnikowych, która polega na powlekaniu płytki krzemowej warstwą izolacyjną tlenku krzemu, aby prąd elektryczny mógł niezawodnie przenikać do przewodzącego krzemu znajdującego się poniżej. Wyhodowanie warstwy dwutlenku krzemu na wierzchu płytki krzemowej umożliwia przezwyciężenie stanów powierzchniowych, które w przeciwnym razie uniemożliwiają dotarcie elektryczności do warstwy półprzewodnikowej.

Proces pasywacji powierzchni krzemu przez utlenianie termiczne (dwutlenek krzemu) ma kluczowe znaczenie dla przemysłu półprzewodników . Jest powszechnie stosowany do produkcji tranzystorów polowych typu metal-tlenek-półprzewodnik (MOSFET) i krzemowych układów scalonych (w procesie planarnym ).

Inne

Krzemionka hydrofobowa jest stosowana jako składnik przeciwpieniący .

Jako materiał ogniotrwały nadaje się w postaci włókien jako tkanina do ochrony termicznej w wysokich temperaturach .

Krzemionkę stosuje się do ekstrakcji DNA i RNA ze względu na jej zdolność do wiązania się z kwasami nukleinowymi w obecności chaotropów .

Aerożel krzemionkowy został użyty w statku kosmicznym Stardust do zbierania cząstek pozaziemskich.

Czysta krzemionka (dwutlenek krzemu), po schłodzeniu jako stopiony kwarc do szkła bez rzeczywistej temperatury topnienia, może być stosowana jako włókno szklane do włókna szklanego.

Produkcja

Dwutlenek krzemu pozyskiwany jest głównie przez wydobycie, w tym wydobycie piasku i oczyszczanie kwarcu . Kwarc nadaje się do wielu celów, podczas gdy obróbka chemiczna jest wymagana do uzyskania czystszego lub w inny sposób bardziej odpowiedniego (np. bardziej reaktywnego lub drobnoziarnistego) produktu.

Wytrącona krzemionka

Krzemionka strącona lub krzemionka amorficzna jest wytwarzana przez zakwaszenie roztworów krzemianu sodu . Żelatynowy osad lub żel krzemionkowy jest najpierw płukany, a następnie odwadniany w celu wytworzenia bezbarwnej mikroporowatej krzemionki. Wyidealizowane równanie obejmujące trójkrzemian i kwas siarkowy to:

W ten sposób wyprodukowano około miliard kilogramów/rok (1999) krzemionki, głównie do stosowania w kompozytach polimerowych – oponach i podeszwach butów.

Na mikroczipach

Cienkie warstwy krzemionki narastają spontanicznie na waflach krzemowych w wyniku utleniania termicznego , tworząc bardzo płytką warstwę tak zwanego tlenku natywnego o wielkości około 1 nm lub 10 Å . Wyższe temperatury i alternatywne środowiska są wykorzystywane do wytworzenia dobrze kontrolowanych warstw dwutlenku krzemu na krzemie, na przykład w temperaturach między 600 a 1200 °C, przy użyciu tzw. suchego utleniania za pomocą O 2

lub utlenianie na mokro za pomocą H 2 O.

Natywna warstwa tlenkowa jest korzystna w mikroelektronice , gdzie pełni rolę izolatora elektrycznego o wysokiej stabilności chemicznej. Może chronić krzem, magazynować ładunek, blokować prąd, a nawet działać jako kontrolowana ścieżka ograniczająca przepływ prądu.

Metody laboratoryjne lub specjalne

Ze związków krzemoorganicznych

Wiele dróg do dwutlenku krzemu zaczyna się od związku krzemoorganicznego, np. HMDSO, TEOS. Syntezę krzemionki zilustrowano poniżej przy użyciu ortokrzemianu tetraetylu (TEOS). Proste podgrzanie TEOS w temperaturze 680–730 °C skutkuje powstaniem tlenku:

Podobnie TEOS spala około 400 °C:

TEOS ulega hydrolizie w tak zwanym procesie zol-żel . Na przebieg reakcji i charakter produktu mają wpływ katalizatory, ale wyidealizowane równanie to:

Inne metody

Będąc wysoce stabilnym, dwutlenek krzemu powstaje na wiele sposobów. Koncepcyjnie proste, ale mało praktyczne, spalanie silanu daje dwutlenek krzemu. Ta reakcja jest analogiczna do spalania metanu:

Jednak chemiczne osadzanie z fazy gazowej dwutlenku krzemu na powierzchni kryształów z silanu było stosowane przy użyciu azotu jako gazu nośnego w temperaturze 200–500 °C.

Reakcje chemiczne

Krzemionka jest przekształcana w krzem poprzez redukcję węglem.

Fluor reaguje z krzemem, tworząc dwutlenek SIF 4 i O 2 , podczas gdy inne gazy chlorowiec (Cl 2 , Br 2 , to 2 ) są zasadniczo niereaktywne.

Większość form dwutlenku krzemu (z wyjątkiem stiszowitu , który nie reaguje w znaczącym stopniu) jest atakowana przez kwas fluorowodorowy (HF) w celu wytworzenia kwasu heksafluorokrzemowego :

HF jest używany do usuwania lub modelowania dwutlenku krzemu w przemyśle półprzewodników.

W normalnych warunkach krzem nie reaguje z większością kwasów, ale jest rozpuszczany przez kwas fluorowodorowy.

Krzem jest atakowany przez zasady, takie jak wodny roztwór wodorotlenku sodu, z wytworzeniem krzemianów.

Dwutlenek krzemu działa jak kwas Lux-Flood , mogąc w pewnych warunkach reagować z zasadami. Ponieważ nie zawiera wodoru, nieuwodniona krzemionka nie może bezpośrednio działać jako kwas Brønsteda-Lowry'ego . Podczas gdy dwutlenek krzemu jest słabo rozpuszczalny w wodzie przy niskim lub obojętnym pH (zazwyczaj 2 × 10-4 M dla kwarcu do 10 -3 M dla chalcedonu kryptokrystalicznego ), silne zasady reagują ze szkłem i łatwo je rozpuszczają. Dlatego mocne zasady muszą być przechowywane w plastikowych butelkach, aby uniknąć zakleszczenia zakrętki butelki, aby zachować integralność pojemnika i uniknąć niepożądanego zanieczyszczenia anionami krzemianowymi.

Dwutlenek krzemu rozpuszcza się w gorących stężonych alkaliach lub stopionym wodorotlenku, jak opisano w tym wyidealizowanym równaniu:

Dwutlenek krzemu neutralizuje podstawowe tlenki metali (na przykład sód tlenek , tlenek potasu , ołowiu (II), tlenek , tlenek cynku , lub mieszaniny tlenków, tworząc krzemiany i okularów, jak wiązań Si-O-Si krzemionki rozbitych kolejno). Na przykład reakcja tlenku sodu i SiO 2 może wytworzyć ortokrzemian sodu, krzemian sodu i szkła, w zależności od proporcji reagentów:

.

Przykłady takich szkieł mają znaczenia przemysłowego, na przykład szkło sodowo-wapniowe , szkło borokrzemianowe , szkła ołowiowego . W tych szkłach krzemionka jest określana jako substancja tworząca sieć lub tworząca sieć. Reakcja ta jest również stosowana w wielkich piecach do usuwania zanieczyszczeń piaskiem z rudy poprzez neutralizację tlenkiem wapnia , tworząc żużel krzemianowo-wapniowy .

Wiązka światłowodów zbudowana z krzemionki o wysokiej czystości

Dwutlenek krzemu reaguje w podgrzanym refluksie pod azotem z glikolem etylenowym i zasadą z metalu alkalicznego, tworząc wysoce reaktywne pentakoordynacyjne krzemiany, które zapewniają dostęp do szerokiej gamy nowych związków krzemu. Krzemiany są zasadniczo nierozpuszczalne we wszystkich rozpuszczalnikach polarnych z wyjątkiem metanolu .

Dwutlenek krzemu reaguje z pierwiastkowym krzemem w wysokich temperaturach, tworząc SiO:

Rozpuszczalność w wodzie

Rozpuszczalność dwutlenku krzemu w wodzie silnie zależy od jego postaci krystalicznej i jest trzy-czterokrotnie wyższa dla krzemionki niż kwarcu; w funkcji temperatury osiąga wartość szczytową około 340 °C. Ta właściwość jest wykorzystywana do hodowania pojedynczych kryształów kwarcu w procesie hydrotermalnym, w którym naturalny kwarc jest rozpuszczany w przegrzanej wodzie w naczyniu ciśnieniowym, które jest chłodniejsze na górze. Kryształy o wadze 0,5–1 kg można hodować przez 1–2 miesiące. Kryształy te są źródłem bardzo czystego kwarcu do zastosowań elektronicznych.

Efekty zdrowotne

Piasek kwarcowy (krzemionka) jako główny surowiec do komercyjnej produkcji szkła

Krzemionka spożycia doustnego jest zasadniczo nietoksyczne, a LD 50 5000 mg / kg (5 g / kg). Badanie z 2008 roku obserwowane przez 15 lat badanych wykazało, że wyższy poziom krzemionki w wodzie wydaje się zmniejszać ryzyko demencji . Wzrost o 10 mg/dzień krzemionki w wodzie pitnej wiązał się ze zmniejszonym ryzykiem demencji o 11%.

Wdychanie drobno rozdrobnionego pyłu krzemionki krystalicznej może prowadzić do krzemicy , zapalenia oskrzeli lub raka płuc , ponieważ pył osadza się w płucach i stale podrażnia tkankę, zmniejszając pojemność płuc. Gdy drobne cząstki krzemionki są wdychane w wystarczająco dużych ilościach (na przykład poprzez narażenie zawodowe), zwiększa ryzyko ogólnoustrojowych chorób autoimmunologicznych, takich jak toczeń i reumatoidalne zapalenie stawów, w porównaniu z oczekiwanymi wskaźnikami w populacji ogólnej.

Ryzyko zawodowe

Krzemionka stanowi zagrożenie zawodowe dla osób wykonujących piaskowanie lub pracujących z produktami zawierającymi sproszkowaną krzemionkę krystaliczną. Krzemionka amorficzna, taka jak krzemionka koloidalna, może w niektórych przypadkach powodować nieodwracalne uszkodzenie płuc, ale nie jest związana z rozwojem krzemicy. Dzieci, astmatycy w każdym wieku, alergicy i osoby starsze (z których wszyscy mają zmniejszoną pojemność płuc ) mogą zostać dotknięci w krótszym czasie.

Krzemionka krystaliczna stanowi zagrożenie zawodowe dla osób pracujących przy blatach kamiennych , ponieważ w procesie cięcia i montażu blatów powstają duże ilości krzemionki unoszącej się w powietrzu. Krzemionka krystaliczna stosowana w szczelinowaniu hydraulicznym stanowi zagrożenie dla zdrowia pracowników.

Patofizjologia

W organizmie cząsteczki krystalicznej krzemionki nie rozpuszczają się w klinicznie istotnych okresach. Kryształy krzemionki wewnątrz płuc może aktywować NLRP3 inflammasome wewnątrz makrofagów i komórek dendrytycznych, a tym samym doprowadzić do produkcji interleukiny , wysoce cytokin prozapalnych w systemie immunologicznym.

Rozporządzenie

Przepisy ograniczające narażenie na krzemionkę „ze względu na zagrożenie krzemicą” precyzują, że dotyczą wyłącznie krzemionki, która jest zarówno krystaliczna, jak i pylista.

W 2013 roku amerykańska Agencja Bezpieczeństwa i Higieny Pracy obniżyła limit narażenia do 50 µg /m 3 powietrza. Przed 2013 r. dopuszczał 100 µg/m 3 , a robotnikom budowlanym nawet 250 µg/m 3 . W 2013 r. OSHA wymagała również „zielonego ukończenia” odwiertów szczelinowanych w celu zmniejszenia narażenia na krzemionkę krystaliczną oprócz ograniczenia limitu narażenia.

Formy krystaliczne

SiO 2 , bardziej niż prawie każdy materiał, występuje w wielu formach krystalicznych. Formy te nazywane są polimorfami .

Krystaliczne formy SiO 2
Formularz Symetria kryształu
Symbol Pearsona , grupa nr.
ρ
g / cm 3
Uwagi Struktura
α-kwarc romboedryczny (trójkątny)
HP9, P3 1 21 No.152
2,648 Łańcuchy helikalne czyniące poszczególne monokryształy optycznie aktywnymi; Kwarc α zamienia się w kwarc β przy 846 K A-kwarc.png
β-kwarc sześciokątny
HP18, P6 2 22, nr 180
2,533 Ściśle spokrewniony z kwarcem α (o kącie Si-O-Si równym 155°) i aktywny optycznie; β-kwarc przekształca się w β-trydymit w 1140 K B-kwarc.png
α-trydymit rombowy
OS24, C222 1 , No.20
2.265 Postać metastabilna pod normalnym ciśnieniem A-trydymit.png
β-trydymit sześciokątny
HP12, P6 3 /mmc, nr 194
Blisko spokrewniony z α-trydymitem; β-trydymit przekształca się w β-krystobalit w 2010 K B-trydymit.png
α-krystobalit czworokątny
tP12, P4 1 2 1 2, nr 92
2,334 Postać metastabilna pod normalnym ciśnieniem A-krystobalit.png
β-krystobalit sześcienny
CF104, Fd 3 m, nr 227
Ściśle spokrewniony z α-krystobalitem; topi się w 1978 K B-krystobalit.png
keatyt czworokątny
tP36, P4 1 2 1 2, nr 92
3.011 Si 5 O 10 Si 4 O 8 Si 8 O 16 pierścieni; syntetyzowany z krzemionki szklistej i alkaliów w temperaturze 600–900 K i 40–400 MPa Keatite.png
moganit jednoskośny
mS46, C2/c, nr 15
Pierścienie Si 4 O 8 i Si 6 O 12 Moganit.png
coesite jednoskośny
mS48, C2/c, nr 15
2.911 Si 4 O 8 i Si 8 O 16 pierścieni; 900 K i 3-3,5 GPa Coesite.png
stiszowit czworokątny
tP6, P4 2 /mnm, nr 136
4.287 Jeden z najgęstszych (wraz z seifertytem) polimorfów krzemionki; rutylowy z 6-krotnie skoordynowanym Si; 7,5-8,5 GPa Stishovit.png
seifertyt rombowy
op, Pbcn
4.294 Jeden z najgęstszych (wraz ze stiszowitem) polimorfów krzemionki; produkowany jest przy ciśnieniu powyżej 40 GPa. SeifertiteStructure.png
melanoflogit sześcienny (cP*, P4 2 32, No.208) lub czworokątny (P4 2 /nbc) 2,04 Si 5 O 10 , Si 6 O 12 pierścieni; minerał zawsze występujący z węglowodorami w przestrzeniach śródmiąższowych - clathrasil ( klatrat krzemionkowy ) MelanophlogiteStucture.png
włóknista
W-krzemionka
rombowy
oI12, Ibam, No.72
1,97 Podobnie jak SiS 2 składający się z łańcuchów dzielących krawędzie, topi się przy ~1700 K SiS2typeSilica.png
Krzemionka 2D sześciokątny Dwuwarstwowa struktura przypominająca arkusz Struktura krzemionki 2D.png

Bezpieczeństwo

Wdychanie drobnoziarnistej krzemionki krystalicznej może prowadzić do ciężkiego zapalenia tkanki płucnej , krzemicy , zapalenia oskrzeli , raka płuc i ogólnoustrojowych chorób autoimmunologicznych , takich jak toczeń i reumatoidalne zapalenie stawów . Wdychanie z bezpostaciowego ditlenku krzemu, w wysokich dawkach, prowadzi do niestałego zapalenia w krótkim czasie, w którym wszystkie efekty leczyć.

Inne nazwy

Ta rozszerzona lista wylicza synonimy dla dwutlenku krzemu; wszystkie te wartości pochodzą z jednego źródła; wartości w źródle zostały przedstawione kapitalizowane.

  • CAS 112945-52-5
  • Acitcel
  • Aerosil
  • Amorficzny pył krzemionkowy
  • Aquafil
  • CAB-O-GRIP II
  • CAB-O-SIL
  • CAB-O-SPERSE
  • Katalog
  • Koloidalna krzemionka
  • Koloidalny dwutlenek krzemu
  • Dicalite
  • Środek owadobójczy DRI-DIE 67
  • FLO-GARD
  • Mąka kopalna
  • Krzemionka koloidalna
  • Pirogeniczny dwutlenek krzemu
  • WYSOKI WYBÓR
  • LO-VEL
  • Ludox
  • Nalcoag
  • Niacol
  • Santocel
  • Krzemionka
  • Aerożel krzemionkowy
  • Krzemionka, amorficzna
  • Bezwodnik krzemowy
  • Silikill
  • Syntetyczna krzemionka amorficzna
  • Vulkasil

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki