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二氧化硅

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二氧化硅
识别
CAS号 7631-86-9
性质
化学式 SiO2
摩尔质量 60.1 g·mol⁻¹
外观 白色粉末(完全純二氧化硅)
密度 2.2 g/cm3
熔点 1650 (±75) °C
沸点 2230 °C
溶解性 0.012 g/100ml
结构
分子构型 四方晶系
危险性
警示术语 R:R42-R43-R49
安全术语 S:S22-S36-S37-S45-S53
NFPA 704
NFPA 704.svg
0
0
0
 
闪点 不可閃燃
相关物质
其他阳离子 二氧化碳
二氧化鍺
二氧化錫
二氧化鉛
相关化学品 矽酸
若非注明,所有数据均出自一般条件(25 ℃,100 kPa)下。

二氧化硅化学式SiO2)是一种酸性氧化物,对应水化物硅酸H2SiO3)。它从古代以来就已经被人们知道了。 二氧化硅在自然界中最常见的是石英,以及在各种生物体中[1][2]。在世界的许多地方,二氧化硅是的主要成分。二氧化硅是最复杂和最丰富的材料家族之一,既是多种矿物质,又是被合成生产的。 值得注意的实例包括熔融石英,水晶,热解法二氧化硅,硅胶气凝胶。 应用范围从结构材料到微电子学到食品工业中使用的成分。

二氧化硅是硅最重要的化合物。地球上存在的天然二氧化硅约占地壳质量的12%,其存在形态有结晶形和无定形两大类,统称硅石。

结构[编辑]

SiO4四面体

SiO2晶体有多种晶型,其基本结构单元是四面体,每个Si周围结合4个O,Si在中心,O在四个顶角;最小环上有6个硅原子和六个氧原子。许多这样的四面体又通过顶角的O相连接,每个O为两个四面体所共有,即每个O与2个Si相结合。实际上,SiO2晶体是由Si和O按1:2的比例所组成的立体网状结构的晶体。因此,通常用SiO2来表示二氧化硅的组成。SiO4四面体不仅存在于SiO2晶体中,而且存在于所有硅酸盐矿石中,是构成多姿多彩的硅酸盐世界的基本骨架。

物理性质[编辑]

具有硬度大、耐高温、耐震、绝缘的性能。可以透过可见光,以及紫外线

化学性质[编辑]

二氧化硅是酸性氧化物,对应的最高价水化物硅酸H2SiO3)。 二氧化硅化学性质不活泼,不容易与和大部分发生反应。通常只能与碱性氧化物反应生成氢氟酸HF)是可以与之反應的酸。(还有热浓磷酸)

其与氫氟酸反应生成氟化矽的化学方程式为:

通常只能与碱性氧化物反应生成。例如:

与强碱反应生成盐。例如:

空氣中若存在一定濃度的二氧化矽粉粒時,會經人類呼吸進入肺部,引發呼吸器官的相關疾病,例如塵肺症

由高纯度二氧化硅组成的光纤束。

用途[编辑]

SiO2的网状结构决定了它具有优良的物理和化学性质,加上SiO2在自然界的广泛存在,从古到今都被人类广泛地应用着。 二氧化硅与其它化合物在高温下熔融,快速冷却可以制得玻璃。它也是沙子石英的主要成分。在半導體和太陽能板等應用中,是目前主要的原料。

僅含二氧化矽單一成分的特種玻璃叫做石英玻璃。二氧化矽與石墨或活泼金属混合可以发生氧化还原反应制得硅单质。

SiO2食品工業用作抗結劑,屬食品添加劑之列。

健康影响[编辑]

经口摄取的二氧化硅基本上是无毒的,LD50为5000mg / kg(5μg/ kg)。然而,吸入细分散的结晶二氧化硅粉尘可能导致矽肺病,支气管炎癌症,因为灰尘停留在肺中并持续刺激组织,从而降低肺容量[3]。研究显示,暴露于结晶二氧化硅的工人比一般人群的狼疮和其他自體免疫性疾病的预期高出10倍[4]。在2013年发布新规范之前,职业安全与健康管理局英语Occupational Safety and Health Administration(OSHA)允许每立方米空气100μg。 新规定将数量减少至50μg/ m3。 建筑业的暴露限值也设定为从250 µg/m3下降至50 µg/m3

结晶形式[编辑]

SiO2,以比几乎任何材料都多的许多晶体形式(称为多晶型物)存在。

SiO2的结晶形式[5]
形式 晶体对称性
皮尔逊符号, 组号
ρ
g/cm3
注释 结构
α-石英 六方晶系 (三角形)
hP9, P3121 No.152[6]
2.648 使单个单晶具有光学活性的螺旋链; α-石英在846K下转化为β-石英 A-quartz.png
β-石英 六方晶系
hP18, P6222, No. 180[7]
2.533 与α-石英密切相关(具有155°的Si-O-Si角)和光学活性; β-石英在1140K转化为β-鳞石英 B-quartz.png
α-鳞石英 正交晶系
oS24, C2221, No.20[8]
2.265 正常压力下的稳定形式 A-tridymite.png
β-鳞石英 六方晶系
hP12, P63/mmc, No. 194[8]
与α-鳞石英密切相关; β-鳞石英在2010 K时转化为β-方英石 B-tridymite.png
α-方石英 四方晶系
tP12, P41212, No. 92[9]
2.334 正常压力下的稳定形式 A-cristobalite.png
β-方石英 立方晶系
cF104, Fd3m, No.227[10]
与α-方英石密切相关; 在1978 K熔化 B-cristobalite.png
热液石英英语Keatite 四方形
tP36, P41212, No. 92[11]
3.011 Si5O10, Si4O14, Si8O16 环; 由玻璃状二氧化硅和碱在600-900K和40-400MPa下合成 Keatite.png
莫甘石英语Moganite 单斜晶系
mS46, C2/c, No.15[12]
Si4O8和Si6O12 Moganite.png
柯石英英语Coesite 单斜晶系
mS48, C2/c, No.15[13]
2.911 Si4O8和Si8O16环; 900 K 和 3–3.5 GPa Coesite.png
斯石英 四方形
tP6, P42/mnm, No.136[14]
4.287 二氧化硅的最密集的(同时是赛石英)多晶型; 金红石型与6倍配位的硅; 7.5-8.5GPa Stishovite.png
赛石英英语seifertite 斜方晶
oP, Pbcn[15]
4.294 二氧化硅的最密集的(同时是赛石英)多晶型; 它在高于40GPa的压力下产生。[16] SeifertiteStructure.png
硫方英石英语melanophlogite 立方晶系 (cP*, P4232, No.208)[17] 或四方形 (P42/nbc)[18] 2.04 Si5O10, Si6O12环; 矿物总是被发现在间质空间中碳氢化合物 - 笼形硅[19] 100px
纤维W-石英[20] 斜方晶
oI12, Ibam, No.72[21]
1.97 Like SiS2 consisting of edge sharing chains, melts at ~1700 K SiS2typeSilica.png
2D石英英语2D silica[22] 六方晶系 片状双层结构 2D silica structure.png

参阅[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ Iler, R. K. The Chemistry of Silica. Plenum Press. 1979. ISBN 0-471-02404-X. 
  2. ^ Fernández LD, Lara E, Mitchell EA. Checklist, diversity and distribution of testate amoebae in Chile. Eur. J. Protistol. 2015, 51 (5): 409–24. doi:10.1016/j.ejop.2015.07.001. PMID 26340665. 
  3. ^ CPWR-Center for Construction Research and Training — Work Safely with Silica: "What are the Health Effects?
  4. ^ The Future Directions of Lupus Research. niams.nih.gov
  5. ^ 引用错误:没有为名为Wiberg.26Holleman的参考文献提供内容
  6. ^ Lager G. A.; Jorgensen J. D.; Rotella F.J. Crystal structure and thermal expansion of a-quartz SiO2 at low temperature. Journal of Applied Physics. 1982, 53 (10): 6751–6756. Bibcode:1982JAP....53.6751L. doi:10.1063/1.330062. 
  7. ^ Wright, A. F.; Lehmann, M. S. The structure of quartz at 25 and 590 °C determined by neutron diffraction. Journal of Solid State Chemistry. 1981, 36 (3): 371–80. Bibcode:1981JSSCh..36..371W. doi:10.1016/0022-4596(81)90449-7. 
  8. ^ 8.0 8.1 Kihara, Kuniaki; Matsumoto, Takeo; Imamura, Moritaka. Structural change of orthorhombic-Itridymite with temperature: A study based on second-order thermal-vibrational parameters. Zeitschrift für Kristallographie. 1986, 177: 27–38. Bibcode:1986ZK....177...27K. doi:10.1524/zkri.1986.177.1-2.27. 
  9. ^ Downs R. T.; Palmer D. C. The pressure behavior of a cristobalite (PDF). American Mineralogist. 1994, 79: 9–14. 
  10. ^ Wright, A. F.; Leadbetter, A. J. The structures of the β-cristobalite phases of SiO2 and AlPO4. Philosophical Magazine. 1975, 31 (6): 1391–401. Bibcode:1975PMag...31.1391W. doi:10.1080/00318087508228690. 
  11. ^ Shropshire, Joseph; Keat, Paul P.; Vaughan, Philip A. The crystal structure of keatite, a new form of silica. Zeitschrift für Kristallographie. 1959, 112: 409–13. Bibcode:1959ZK....112..409S. doi:10.1524/zkri.1959.112.1-6.409. 
  12. ^ Miehe, Gerhard; Graetsch, Heribert. Crystal structure of moganite: a new structure type for silica. European Journal of Mineralogy. 1992, 4 (4): 693–706. doi:10.1127/ejm/4/4/0693. 
  13. ^ Levien L.; Prewitt C. T. High-pressure crystal structure and compressibility of coesite (PDF). American Mineralogist. 1981, 66: 324–333. 
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  15. ^ Dera P.; Prewitt C. T.; Boctor N. Z.; Hemley R. J. Characterization of a high-pressure phase of silica from the Martian meteorite Shergotty. American Mineralogist. 2002, 87: 1018. 
  16. ^ Seifertite. Mindat.org.
  17. ^ Skinner B. J.; Appleman D. E. Melanophlogite, a cubic polymorph of silica (PDF). American Mineralogist. 1963, 48: 854–867. 
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  19. ^ Rosemarie Szostak. Molecular sieves: Principles of Synthesis and Identification. Springer. 1998. ISBN 0-7514-0480-2. 
  20. ^ 引用错误:没有为名为Greenwood的参考文献提供内容
  21. ^ Weiss, Alarich; Weiss, Armin. Über Siliciumchalkogenide. VI. Zur Kenntnis der faserigen Siliciumdioxyd-Modifikation. Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 1954, 276: 95–112. doi:10.1002/zaac.19542760110. 
  22. ^ Björkman, T; Kurasch, S; Lehtinen, O; Kotakoski, J; Yazyev, O. V.; Srivastava, A; Skakalova, V; Smet, J. H.; Kaiser, U; Krasheninnikov, A. V. Defects in bilayer silica and graphene: common trends in diverse hexagonal two-dimensional systems. Scientific Reports. 2013, 3: 3482. Bibcode:2013NatSR...3E3482B. doi:10.1038/srep03482. PMC 3863822. PMID 24336488.