Диоксид кремния (SiO₂)¶

Диоксид кремния (силикатный ангидрид, кремнезём, химическая формула SiO₂) — бинарное неорганическое соединение кремния и кислорода, один из самых распространённых оксидов в земной коре. Относится к классу кислотных оксидов; в природе встречается преимущественно в виде минералов кварца, аморфного кремнезёма и их полиморфных модификаций. Содержание SiO₂ в литосфере достигает около 60 % по массе, что делает его главным компонентом большинства горных пород.

¶Строение и свойства

Молекула SiO₂ в газообразном состоянии представляет собой линейную структуру O=Si=O, аналогичную углекислому газу. В конденсированном состоянии кремний образует тетраэдрические связи с четырьмя атомами кислорода, каждый из которых, в свою очередь, связывается с двумя кремниевыми атомами — так формируется трёхмерная полимерная сеть. Именно это строение объясняет высокую твёрдость (7 по шкале Мооса у кварца), тугоплавкость (плавится при 1713 °C) и химическую инертность большинства модификаций.

Основные физические свойства:

Химически SiO₂ проявляет кислотные свойства: реагирует с плавиковой кислотой с образованием гексафторосиликата, с щелочами и карбонатами щелочных металлов при нагревании. С другими кислотами, кроме HF, не взаимодействует. Амфотерные свойства проявляет в присутствии сильных оснований в расплаве.

¶Полиморфные модификации

Кремнезём известен большим числом полиморфных форм, различающихся кристаллической решёткой и условиями образования:

• Кварц — наиболее устойчивая при обычных условиях модификация; включает α- и β-кварц, тридимит и кристобалит как высокотемпературные формы.
• Коэшит — высокоплотная форма, стабильная при давлениях свыше ~30 ГПа; встречается в мантийных породах и метеоритах.
• Ледяной аналог SiO₂ — теоретически предсказанные модификации, структурно сходные со льдом.
• Аморфный кремнезём — опал, стекло, аэрогели, а также биогенные формы (диатомовые оболочки, радиолярии).

¶Природные источники

Диоксид кремния — основа большинства силикатных пород: гранитов, песчаников, кварцевых жил. Кварц — один из самых распространённых минералов земной коры; он устойчив к выветриванию, поэтому накапливается в речных и морских песках. Аморфный кремнезём образуется при вулканических извержениях (вулканическое стекло, обсидиан), при выветривании силикатов и в биогенных процессах.

¶Получение

В промышленности SiO₂ добывают из кварцевого песка, кварцевой породы и опала. Кремнезём высокой чистоты получают:

• химическим осаждением из растворов силикатов;
• гидролизом тетрахлорида кремния;
• пирогенными методами (окисление дихлорсилана);
• очисткой природного кварца.

Для электроники и оптики требуется содержание примесей на уровне единиц миллионных долей.

¶Применение

SiO₂ — один из наиболее универсальных промышленных материалов:

• Стекольная промышленность — основной компонент натрий-кальциевого стекла (около 70 % SiO₂ в шихте).
• Силикатное производство — цемент, керамика, кирпич, фарфор.
• Электроника и оптика — кварцевое стекло, волоконная оптика, подложки для полупроводников, диэлектрики.
• Абразивы — наждак, шлифовальные порошки.
• Нефтегазовая промышленность — проппанты для гидроразрыва, силикагель как осушитель.
• Химия — носитель катализаторов, адсорбент, сырьё для производства кремния и силикатов.

¶Роль в живых организмах

Кремний — макроэлемент, необходимый для растений (строение клеточных стенок, механическая прочность). Диатомовые водоросли, радиолярии и губки строят свои скелеты из биогенного кремнезёма. В организме человека кремний присутствует в соединительной ткани, сосудах и коже; дефицит кремния связывают с нарушениями костного и соединительнотканного обмена.

¶Токсичность

Кристаллический кварц в виде пыли при длительном вдыхании вызывает силикоз — профессиональное заболевание лёгких, известное с XIX века. Аморфный кремнезём в целом менее опасен, однако некоторые его формы (опал, кремнезёмная пыль) также обладают фиброгенным действием.

¶Интересные факты

• Кварц обладает пьезоэлектрическими свойствами: под давлением на его гранях возникает электрический заряд. На этом эффекте основаны кварцевые часы и пьезозажигалки.
• Стекло, полученное из чистого SiO₂ (фусеновое стекло), обладает наименьшим коэффициентом теплового расширения среди известных материалов и используется для изготовления лабораторной посуды.
• Диоксид кремния — один из немногих оксидов, способных образовывать стекло без добавок.

Источники:

• Глинка Н. Л. «Общая химия»
• Дьяконов С. Г. «Химия: справочник для поступающих в вузы»
• Фрумкин А. Н. и др. «Курс общей химии»
• «Большая российская энциклопедия», статья «Кремнезём»
• Минералогический словарь (Государственный геологический институт)