ОКСИД КРЕМНИЯ (SIO2): СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ, ПОЛУЧЕНИЕ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Оксид кремния представляет собой неорганическое твердое вещество путем связывания с атомом кремния и два кислорода. Его химическая формула - SiO ₂ . Это природное соединение также называют кремнеземом или диоксидом кремния.

SiO ₂ - это самый распространенный минерал в земной коре, поскольку песок состоит из кремнезема. В зависимости от структуры кремнезем может быть кристаллическим или аморфным. Он не растворяется в воде, но растворяется в щелочах и фтористоводородной кислоте HF.

Песок является источником диоксида кремния SiO ₂ . ರವಿಮುಂ. Источник: Wikimedia Commons.

SiO ₂ также присутствует в структуре некоторых растений, бактерий и грибов. Также в скелетах морских организмов. Помимо песка, существуют и другие виды камней, которые сделаны из кремнезема.

Кремнезем широко используется, выполняя множество функций. Наиболее широко используется в качестве фильтрующего материала для жидкостей, таких как масла и нефтепродукты, таких напитков, как пиво и вино, а также фруктовых соков.

Но у него много других применений. Одним из наиболее полезных и важных является производство биоактивных очков, которые позволяют создавать «каркасы», на которых растут костные клетки, чтобы производить костные фрагменты, отсутствующие в результате несчастного случая или болезни.

Структура

Диоксид кремния SiO ₂ представляет собой трехатомную молекулу, в которой атом кремния связан с двумя ковалентно связанными атомами кислорода.

Химическая структура молекулы SiO ₂ . Грассо Луиджи. Источник: Wikimedia Commons.

Структурной единицей твердого кремнезема как такового является тетраэдр, в котором один атом кремния окружен 4 атомами кислорода.

Структурная единица твердого кремнезема: серый = кремний, красный = кислород. Benjah-bmm27. Источник: Wikimedia Commons.

Тетраэдры соединяются вместе, разделяя атомы кислорода из смежных вершин.

Вот почему атом кремния разделяет каждый из 4 атомов кислорода пополам, и это объясняет взаимосвязь в соединении 1 атома кремния с 2 атомами кислорода (SiO ₂ ).

Тетраэдры разделяют атомы кислорода в SiO ₂ . Benjah-bmm27. Источник: Wikimedia Commons.

Соединения SiO ₂ делятся на две группы: кристаллический диоксид кремния и аморфный диоксид кремния.

Кристаллические соединения кремнезема имеют повторяющуюся структуру кремния и кислорода.

Кристаллический кремнезем имеет повторяющиеся звенья. Wersję rastrową wykonał uytkownik polskiego projektu wikipedii: Polimerek, Zwektoryzował: Krzysztof Zajączkowski. Источник: Wikimedia Commons.

Весь кристалл кремнезема можно рассматривать как гигантскую молекулу с очень прочной кристаллической решеткой. Тетраэдры могут быть связаны различными способами, давая начало различным кристаллическим формам.

В аморфном диоксиде кремния структуры связаны случайным образом, без определенного регулярного рисунка между молекулами, и они находятся в различных пространственных отношениях друг с другом.

В аморфном диоксиде кремния связи не являются повторяющимися или однородными. Silica.svg: * Silica.jpg: en: Пользователь: Jdrewittпроизводная работа: Matt. Источник: Wikimedia Commons.

Номенклатура

-Оксид кремния

-Диоксид кремния

-Силика

-quartz

-Тридимита

-Христобалит

-Диоксосилан

Свойства

Физическое состояние

От бесцветного до серого твердого вещества.

Образец чистого SiO ₂ . LHcheM. Источник: Wikimedia Commons.

Молекулярный вес

60,084 г / моль

Температура плавления

1713 ºC

Точка кипения

2230 ºC

плотность

2,17–2,32 г / см ³

Растворимость

Нерастворим в воде. Аморфный кремнезем растворим в щелочах, особенно если он мелкодисперсный. Растворим в плавиковой кислоте HF.

Аморфный кремнезем менее гидрофилен, то есть меньше связан с водой, чем кристаллический.

Химические свойства

SiO ₂ или диоксид кремния практически инертен по отношению к большинству веществ, он очень мало реакционноспособен.

Устойчив к воздействию хлора Cl ₂ , брома Br ₂ , водорода H ₂ и большинства кислот при комнатной температуре или немного выше. Он подвергается воздействию фтора F ₂ , плавиковой кислоты HF и щелочей, таких как карбонат натрия Na ₂ CO ₃ .

SiO ₂ может соединяться с металлическими элементами и оксидами с образованием силикатов. Если диоксид кремния плавится с карбонатами щелочных металлов при температуре около 1300 ° C, образуются силикаты щелочных металлов и выделяется CO ₂ .

Не горючий. Обладает низкой теплопроводностью.

Присутствие в природе

Главный источник кремнезема в природе - песок.

SiO ₂ или кремнезем находится в форме трех кристаллических разновидностей: кварца (наиболее стабильного), тридимита и кристобалита. Аморфные формы кремнезема - агат, яшма, оникс. Опал - это аморфный гидратированный кремнезем.

Существует также так называемый биогенный кремнезем, то есть производимый живыми организмами. Источниками этого типа кремнезема являются бактерии, грибы, диатомовые водоросли, морские губки и растения.

Блестящие твердые части бамбука и соломы содержат кремнезем, а в скелете некоторых морских организмов также много кремния; однако наиболее важными являются диатомовые земли.

Диатомовые земли - это геологические продукты разложившихся одноклеточных организмов (водорослей).

Другие виды натурального кремнезема

В природе также встречаются следующие разновидности:

- Стекловидные кремнеземы, являющиеся вулканическими стеклами

- Лехатериелиты - природные стекла, получаемые путем плавления кремнеземистого материала под воздействием метеоритов.

- плавленый диоксид кремния, который представляет собой диоксид кремния, нагретый до жидкой фазы и охлажденный, не позволяя ему кристаллизоваться.

получение

Кремнезем из песков добывается прямо из карьеров.

Песчаный карьер в Калифорнии. Крем-слойка из туфа ерша. Источник: Wikimedia Commons.

Таким же способом получают диатомит или кизельгур с использованием экскаваторов и подобного оборудования.

Аморфный диоксид кремния получают, исходя из водных растворов силиката щелочного металла (такого как натрий Na), нейтрализацией кислотой, такой как серная кислота H ₂ SO ₄ , соляная кислота HCl или диоксид углерода CO ₂ .

Если конечный pH раствора нейтральный или щелочной, получается осажденный диоксид кремния. Если pH кислый, получается силикагель.

Коллоидный диоксид кремния получают сжиганием летучего соединения кремния, обычно тетрахлорида кремния SiCl ₄ . Осажденный диоксид кремния получают из водного раствора силикатов, к которому добавлена ​​кислота.

Коллоидный кремнезем - это стабильная дисперсия частиц аморфного кремнезема коллоидного размера в водном растворе.

Приложения

В различных приложениях

Диоксид кремния или SiO ₂ выполняет множество различных функций, например, он служит в качестве абразива, абсорбента, предотвращения слеживания, наполнителя, глушителя и способствует суспендированию других веществ, среди многих других способов использования.

Он используется, например:

-При производстве стекла, керамики, огнеупоров, абразивов и жидкого стекла.

-Обесцвечивание и очистка масел и нефтепродуктов

-В литейных формах

-Как предотвращает слеживание порошков всех видов

-В качестве пеногасителя

-Для фильтрации жидкостей, таких как растворители для химической чистки, вода плавательных бассейнов, городские и промышленные сточные воды.

-При производстве теплоизоляции, огнестойкого кирпича, огнестойких и кислотостойких упаковочных материалов.

-Как наполнитель при производстве бумаги и картона, чтобы сделать их более прочными.

-Как наполнитель красок для улучшения их текучести и цвета.

-В материалах для полировки металлов и дерева, так как придает абразивность

-В лабораториях химического анализа в хроматографии и в качестве абсорбента

-Как средство против слеживания в инсектицидных и агрохимических формулах, помогает измельчать воскообразные пестициды и как носитель активного соединения

-Как носитель катализатора

-Как наполнитель для армирования синтетических каучуков и каучуков.

-Как переносчик жидкостей в кормах для животных

-В печатных красках

-В качестве осушителя и адсорбента в виде силикагеля.

-Как добавка в цемент

-Как любимый песок

-В изоляторах для микроэлектроники

-На термооптических переключателях

Силикагель. КЕНПЕЙ. Источник: Wikimedia Commons.

В пищевой промышленности

Аморфный диоксид кремния входит в состав различных пищевых продуктов в качестве многофункционального прямого ингредиента в различных типах продуктов питания. Он не должен превышать 2% готовой еды.

Например, он служит в качестве агента, препятствующего слеживанию (для предотвращения прилипания некоторых продуктов), в качестве стабилизатора при производстве пива, в качестве противоуглерода, для фильтрации вина, пива и фруктовых или овощных соков.

Оборудование для фильтрации вина с кизельгуром (SiO ₂ ). Фабио Ингроссо. Источник: Wikimedia Commons.

Он действует как абсорбент жидкостей в некоторых пищевых продуктах и ​​компонент микрокапсул для ароматизирующих масел.

Кроме того, аморфный SiO ₂ наносится с помощью специального процесса на поверхность пластика пищевых упаковочных изделий, выступая в качестве барьера.

В фармацевтической промышленности

Он добавляется в качестве средства, препятствующего слеживанию, загустителя, гелеобразователя, а также в качестве вспомогательного вещества, то есть в качестве добавки для таблетирования различных лекарств и витаминов.

В индустрии косметики и личной гигиены

Он используется во множестве продуктов: в пудрах для лица, тенях для век, подводках для глаз, губных помадах, румянах, средствах для снятия макияжа, пудрах, пудрах для ног, красках для волос и отбеливателях.

Также в маслах и солях для ванн, пенных ваннах, кремах для рук и тела, увлажняющих средствах, дезодорантах, кремах или масках для лица (кроме кремов для бритья), духах, лосьонах и очищающих кремах.

Также в ночных увлажняющих кремах, лаках и красках для ногтей, освежающих лосьонах для кожи, тониках для волос, зубной пасте, кондиционерах для волос, гелях для загара и кремах.

В терапевтических целях

SiO ₂ присутствует в биоактивных стеклах или биостеклах, основной характеристикой которых является то, что они могут химически реагировать с окружающей их биологической средой, образуя прочную и прочную связь с живой тканью.

Этот тип материала используется для изготовления заменителей костей, например, для лица, в качестве «каркасов», на которых будут расти костные клетки. Они показали хорошую биосовместимость как с костями, так и с мягкими тканями.

Эти биостекла позволят восстановить кости с лица людей, потерявших их в результате несчастного случая или болезни.

риски

Очень мелкие частицы кремнезема могут переноситься по воздуху и образовывать невзрывоопасную пыль. Но эта пыль может вызвать раздражение кожи и глаз. Его вдыхание вызывает раздражение дыхательных путей.

Кроме того, вдыхание кремнеземной пыли вызывает длительное прогрессирующее повреждение легких, называемое силикозом.

Ссылки

1. Национальная медицинская библиотека США. (2019). Диоксид кремния. Получено с pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Коттон, Ф. Альберт и Уилкинсон, Джеффри. (1980). Продвинутая неорганическая химия. Четвертое издание. Джон Вили и сыновья.
3. Да Силва, М.Р. и др. (2017). Методы экстракции зелени. Сорбенты на основе кремнезема. В комплексной аналитической химии. Восстановлено с sciencedirect.com.
4. Юленен, Х. (редактор). (2018). Биоактивные стекла: материалы, свойства и применение (второе издание). Elsevier. Восстановлено с books.google.co.ve.
5. Windholz, M. et al. (редакторы) (1983) Индекс Мерк. Энциклопедия химикатов, лекарств и биологических препаратов. Издание десятое. Merck & CO., Inc.
6. Мякинен, Дж. И Суни, Т. (2015). Толстопленочные SOI-вафли. В Справочнике по материалам и технологиям МЭМС на основе кремния (второе издание). Восстановлено с sciencedirect.com.
7. Sirleto, L. et al. (2010). Термооптические переключатели. Нанокристаллы кремния. Восстановлено с sciencedirect.com.