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二氧化矽

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二氧化矽
英文名 Silicon dioxide
識別
CAS號 [1] 14808-60-7(α-石英、β-石英)[1]
15468-32-3(鱗石英)[1]
14464-46-1(方石英)[1]
60676-86-0(玻璃體)[1]
性質
化學式 SiO2
摩爾質量 60.085[1] g·mol⁻¹
外觀 無色六方晶體(α-石英、β-石英、鱗石英、方石英)[1]

無色無定形固體(玻璃體)

密度 2.648 g/cm3(α-石英)[1]

2.533 g/cm3(β-石英,600 ℃時)[1]

2.265 g/cm3(鱗石英)[1]

2.334 g/cm3(方石英)[1]

2.196 g/cm3(玻璃體)[1]

熔點 573 ℃(α-石英轉化為β-石英)[1]

867 ℃(β-石英轉化為鱗石英)[1]

1470 ℃(鱗石英轉化為方石英)[1]

1722 ℃(方石英)[1]

1713 ℃(玻璃體)[1]

沸點 2950 °C[1]
溶解性 難溶於水[1]
溶解性 難溶於一般酸,但溶於氫氟酸[1]
結構
晶體結構 六方(α-石英、β-石英、鱗石英、方石英)[1]

無定形體(玻璃體)[1]

危險性
警示術語 R:R42-R43-R49
安全術語 S:S22-S36-S37-S45-S53
NFPA 704
NFPA 704.svg
0
0
0
 
閃點 不可燃
相關物質
其他陽離子 二氧化碳
二氧化鍺
二氧化錫
二氧化鉛
相關化學品 矽酸
若非註明,所有數據均出自一般條件(25 ℃,100 kPa)下。

二氧化矽化學式SiO2)是一種酸性氧化物,對應水化物矽酸H2SiO3)。它從古代以來就已經被人們知道了。 二氧化矽在自然界中最常見的是石英,以及在各種生物體中[2][3]。在世界的許多地方,二氧化矽是的主要成分。二氧化矽是最複雜和最豐富的材料家族之一,既是多種礦物質,又是被合成生產的。 值得注意的實例包括熔融石英,水晶,熱解法二氧化矽,矽膠氣凝膠。 應用範圍從結構材料到微電子學到食品工業中使用的成分。

二氧化矽是矽最重要的化合物。地球上存在的天然二氧化矽約占地殼質量的12%,其存在形態有結晶形和無定形兩大類,統稱矽石。

結構[編輯]

SiO4四面體

SiO2晶體有多種晶型,其基本結構單元是四面體,每個Si周圍結合4個O,Si在中心,O在四個頂角;最小環上有6個矽原子和六個氧原子。許多這樣的四面體又通過頂角的O相連接,每個O為兩個四面體所共有,即每個O與2個Si相結合。實際上,SiO2晶體是由Si和O按1:2的比例所組成的立體網狀結構的晶體。因此,通常用SiO2來表示二氧化矽的組成。SiO4四面體不僅存在於SiO2晶體中,而且存在於所有矽酸鹽礦石中,是構成多姿多彩的矽酸鹽世界的基本骨架。

物理性質[編輯]

具有硬度大、耐高溫、耐震、絕緣的性能。可以透過可見光,以及紫外線

化學性質[編輯]

二氧化矽是酸性氧化物,對應的最高價水化物矽酸H2SiO3)。 二氧化矽化學性質不活潑,不容易與和大部分發生反應。通常只能與鹼性氧化物反應生成氫氟酸HF)是可以與之反應的酸。(還有熱濃磷酸)

其與氫氟酸反應生成氟化矽的化學方程式為:

通常只能與鹼性氧化物反應生成。例如:

與強鹼反應生成鹽。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

由高純度二氧化矽組成的光纖束。

用途[編輯]

SiO2的網狀結構決定了它具有優良的物理和化學性質,加上SiO2在自然界的廣泛存在,從古到今都被人類廣泛地應用著。 二氧化矽與其它化合物在高溫下熔融,快速冷卻可以製得玻璃。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潑金屬混合可以發生氧化還原反應製得矽單質。

SiO2食品工業用作抗結劑,屬食品添加劑之列。

健康影響[編輯]

經口攝取的二氧化矽基本上是無毒的,LD50為5000mg / kg(5g/ kg)。然而,吸入細分散的結晶二氧化矽粉塵可能導致矽肺病,支氣管炎癌症,因為灰塵停留在肺中並持續刺激組織,從而降低肺容量[4]。研究顯示,暴露於結晶二氧化矽的工人比一般人群的狼瘡和其他自體免疫性疾病的預期高出10倍[5]。在2013年發布新規範之前,職業安全與健康管理局英語Occupational Safety and Health Administration(OSHA)允許每立方米空氣100μg。 新規定將數量減少至50μg/ m3。 建築業的暴露限值也設定為從250 µg/m3下降至50 µg/m3

結晶形式[編輯]

SiO2,以比幾乎任何材料都多的許多晶體形式(稱為多晶型物)存在。

SiO2的結晶形式
形式 晶體對稱性
皮爾遜符號, 組號
ρ
g/cm3
注釋 結構
α-石英 六方晶系 (三角形)
hP9, P3121 No.152[6]
2.648 使單個單晶具有光學活性的螺旋鏈; α-石英在846K下轉化為β-石英 A-quartz.png
β-石英 六方晶系
hP18, P6222, No. 180[7]
2.533 與α-石英密切相關(具有155°的Si-O-Si角)和光學活性; β-石英在1140K轉化為β-鱗石英 B-quartz.png
α-鱗石英 正交晶系
oS24, C2221, No.20[8]
2.265 正常壓力下的穩定形式 A-tridymite.png
β-鱗石英 六方晶系
hP12, P63/mmc, No. 194[8]
與α-鱗石英密切相關; β-鱗石英在2010 K時轉化為β-方石英 B-tridymite.png
α-方石英 四方晶系
tP12, P41212, No. 92[9]
2.334 正常壓力下的穩定形式 A-cristobalite.png
β-方石英 立方晶系
cF104, Fd3m, No.227[10]
與α-方石英密切相關; 在1978 K熔化 B-cristobalite.png
熱液石英英語Keatite 四方形
tP36, P41212, No. 92[11]
3.011 Si5O10, Si4O14, Si8O16 環; 由玻璃狀二氧化矽和鹼在600-900K和40-400MPa下合成 Keatite.png
莫甘石英語Moganite 單斜晶系
mS46, C2/c, No.15[12]
Si4O8和Si6O12 Moganite.png
柯石英英語Coesite 單斜晶系
mS48, C2/c, No.15[13]
2.911 Si4O8和Si8O16環; 900 K 和 3–3.5 GPa Coesite.png
斯石英 四方形
tP6, P42/mnm, No.136[14]
4.287 二氧化矽的最密集的(同時是賽石英)多晶型; 金紅石型與6倍配位的矽; 7.5-8.5GPa Stishovite.png
賽石英英語seifertite 斜方晶
oP, Pbcn[15]
4.294 二氧化矽的最密集的(同時是賽石英)多晶型; 它在高於40GPa的壓力下產生。[16] SeifertiteStructure.png
硫方英石英語melanophlogite 立方晶系 (cP*, P4232, No.208)[17] 或四方形 (P42/nbc)[18] 2.04 Si5O10, Si6O12環; 礦物總是被發現在間質空間中碳氫化合物 - 籠形矽[19] 100px
纖維W-石英 斜方晶
oI12, Ibam, No.72[20]
1.97 Like SiS2 consisting of edge sharing chains, melts at ~1700 K SiS2typeSilica.png
2D石英英語2D silica[21] 六方晶系 片狀雙層結構 2D silica structure.png

參閱[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.20 CRC Handbook of Chemistry and Physics 97th Edition. 2016-06-24: 4–84. ISBN 1-4987-5428-7 (英語). 
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  5. ^ The Future Directions of Lupus Research. niams.nih.gov
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