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二氧化硅
英文名 Silicon dioxide
识别
CAS号 7631-86-9  ✓
PubChem 24261
ChemSpider 22683
Gmelin 200274
EINECS 231-545-4
ChEBI 30563
RTECS VV7565000
KEGG C16459
MeSH Silicon+dioxide
性质
化学式 SiO2
摩尔质量 60.085 g·mol⁻¹
外观 无色六方晶体(α-石英、β-石英、鳞石英、方石英)

无色无定形固体(玻璃体)

密度 2.648 g/cm3(α-石英)

2.533 g/cm3(β-石英,600 ℃时)

2.265 g/cm3(鳞石英)

2.334 g/cm3(方石英)

2.196 g/cm3(玻璃体)

熔点 573 ℃(α-石英转化为β-石英)

867 ℃(β-石英转化为鳞石英)

1470 ℃(鳞石英转化为方石英)

1722 ℃(方石英)

1713 ℃(玻璃体)

沸点 2950 °C
溶解性 难溶于水
溶解性 难溶于一般酸,但溶于氢氟酸
结构
晶体结构 六方(α-石英、β-石英、鳞石英、方石英)

无定形体(玻璃体)

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 不可燃
相关物质
其他阳离子 二氧化碳
二氧化锗
二氧化锡
二氧化铅
相关化学品 硅酸
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)。它自古便为人所知。 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。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,约占地壳质量的12%。自然界中二氧化硅的存在形态有结晶形和无定形两大类,因此统称为硅石。

结构

SiO
4
四面体

SiO
2
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,SiO
2
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SiO
2
来表示二氧化硅的组成。SiO
4
四面体不仅存在于SiO
2
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

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

二氧化硅是酸性氧化物,对应的最高价水化物硅酸H
2
SiO
3
)。 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)和浓热的磷酸H
3
PO
4
)是可以与之反应的酸。

其与氢氟酸反应生成氟化硅的化学方程式为:

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:

空气中若存在一定浓度的二氧化硅粉粒时,会经人类呼吸进入肺部,引发呼吸器官的相关疾病,例如尘肺症

由高纯度二氧化硅组成的光纤束。

用途

SiO
2
的网状结构决定了它具有优良的物理和化学性质,加上SiO
2
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。在半导体和太阳能板等应用中,是目前主要的原料。

仅含二氧化硅单一成分的特种玻璃叫做石英玻璃。二氧化硅与石墨或活泼金属混合可以发生氧化还原反应制得硅单质。

SiO
2
食品工业用作抗结剂英语anti-caking agent,属食品添加剂之列。胶态,沉淀或热解法气相二氧化硅是食品生产中的常见添加剂。 它主要用作粉状食品(例如香料和非乳制咖啡奶精)中的流动剂或防结块剂,或制成片剂的粉剂。它可以在吸湿性应用中吸收水。 胶态二氧化硅用作葡萄酒,啤酒和果汁的澄清剂,E编号为E551。

在化妆品中,二氧化硅因其光扩散特性[30]和自然吸收性而有用。

硅藻土(一种开采的产品)二氧化硅在食品和化妆品中使用了几个世纪。 它由微观硅藻的硅石壳组成。 它以较少加工的形式作为“牙粉”出售。制造或开采的水合二氧化硅用作牙膏中的硬质磨料。

健康影响

经口摄取的二氧化硅基本上是无毒的,LD50为5000mg / kg,因此完全可以用于食品。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。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体免疫性疾病的预期高出10倍。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)允许每立方米空气含100μg二氧化硅,而新规定将含量减少至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

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
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, P3221 No.154
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
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
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
与α-鳞石英密切相关; β-鳞石英在2010 K时转化为β-方石英 B-tridymite.png
α-方石英 四方晶系
tP12, P41212, No. 92
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
与α-方石英密切相关; 在1978 K熔化 B-cristobalite.png
热液石英英语Keatite 四方形
tP36, P41212, No. 92
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
Si4O8和Si6O12 Moganite.png
柯石英英语Coesite 单斜晶系
mS48, C2/c, No.15
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
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
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。 SeifertiteStructure.png
硫方英石英语melanophlogite 立方晶系 (cP*, P4232, No.208) 或四方形 (P42/nbc) 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 MelanophlogiteStucture.png
纤维W-石英 斜方晶
oI12, Ibam, No.72
1.97 Like SiS2 consisting of edge sharing chains, melts at ~1700 K SiS2typeSilica.png
2D石英英语2D silica 六方晶系 片状双层结构 2D silica structure.png

参阅

参考文献

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