Диоксид кремния: состав, свойства, применение¶

Диоксид кремния (SiO₂, кремнезём, кремния диоксид) — бинарное неорганическое соединение кремния и кислорода, один из самых распространённых оксидов в земной коре. Представляет собой твёрдое белое вещество, устойчивое к химическому воздействию, применяется в строительстве, стекольной промышленности, электронике и пищевой индустрии. Содержание SiO₂ в земной коре составляет около 63 % по массе.

¶Состав и строение

Молекула SiO₂ линейна в газообразном состоянии, но в конденсированной фазе кремний образует тетраэдрические связи с четырьмя атомами кислорода, формируя пространственные сети. Каждый атом кислорода связывает два тетраэдра, поэтому эмпирическая формула остаётся SiO₂, хотя отдельных дискретных молекул в твёрдом теле нет.

¶Кристаллические модификации

Диоксид кремния проявляет полиморфизм — существует множество кристаллических форм, различающихся условиями образования:

При быстром охлаждении расплава образуется аморфный диоксид кремния (стеклообразный кремнезём), который кинетически метастабилен. Структурные переходы между модификациями сопровождаются заметным изменением объёма, что важно при производстве керамики и обжиге изделий.

¶Физические свойства

• Температура плавления — 1713 °C (для кварца), при этом вещество преимущественно разлагается и испаряется, а не переходит в чистую жидкую фазу.
• Твёрдость — 7 по шкале Мооса, что делает кварц одним из твёрдых минералов, распространённых в природе.
• Плотность — 2650 кг/м³ для кварца, 2200 кг/м³ для аморфной формы.
• Растворимость — практически нерастворим в воде и кислотах (кроме плавиковой кислоты HF, с которой образует гексафторосилициат водорода).
• Оптические свойства — прозрачен в тонких слоях, обладает низким коэффициентом теплового расширения, что определяет его применение в лабораторной посуде.

¶Природные источники

Диоксид кремния является основой большинства горных пород и минералов:

• Кварц — главный компонент песка, песчаника, гранита.
• Агат, оникс, халцедон — разновидности халцедона (микрокристаллический SiO₂).
• Опал — аморфный гидратированный диоксид кремния (SiO₂·nH₂O).
• Диатомит — порода, сложенная кремнёвыми панцирями диатомовых водорослей.

Морские пески, состоящие преимущественно из зёрен кварца, являются крупнейшим природным источником кремнезёма.

¶Получение

Промышленное производство диоксида кремния ведётся несколькими способами:

1. Добыча и переработка кварцевого песка — промывка, измельчение и сепарация для получения материала заданной чистоты.
2. Пирогенное синтез — сжигание тетрахлорида кремния или силана в пламени с образованием высокодисперсного белого порошка (аэросилик).
3. Мокрый синтез — осаждение из растворимых силикатов кислотой, например, из раствора силиката натрия (жидкого стекла).

¶Применение

¶Стекольная и керамическая промышленность

Основной потребитель SiO₂ — производство стекла, где кремнезём служит формирующим оксидом. В керамике диоксид кремния входит в состав глазурей и шихт.

¶Электроника и оптика

Высокочистый диоксид кремния используется в полупроводниковой промышленности как диэлектрик (в том числе в качестве подложки для кремниевых пластин), а также для изготовления оптоволокна, линз и кварцевых ламп.

¶Строительство

Кварцевый песок применяется как заполнитель в бетоне, как абразив, а также как сырьё для производства силикатного кирпича.

¶Пищевая промышленность

В ЕАЭС и ЕС диоксид кремния зарегистрирован как пищевая добавка E551 — антислёживающий агент, предотвращающий комкование сыпучих продуктов (соли, специй, молотых кофе).

¶Медицина

Наночастицы диоксида кремния применяются в фармацевтике как носители лекарственных веществ и в диагностике.

¶Химические свойства

SiO₂ проявляет амфотерные свойства, но преимущественно кислотный характер: реагирует с плавиковой кислотой и горячими щелочами, образуя фторсиликаты и силикаты. С оксидами щелочных металлов при спекании образует силикаты — основу стекла и цементных шлаков.

¶Интересные факты

Кварц обладает пьезоэлектрическими свойствами — под действием механического напряжения на его гранях возникает электрический заряд. На этом эффекте работают кварцевые генераторы, часовые механизмы и пьезозажигалки. Песчинка на пляже, как правило, состоит преимущественно из зёрен диоксида кремния.

¶Источники

• Химическая энциклопедия / Под ред. К. М. Семянова. — М.: Большая Российская энциклопедия.
• Глезер Г. Ф., Писарчик Л. А., Попова М. В. Диоксид кремния: полиморфизм, свойства, технология. — М.: Наука.
• Справочник химика-технолога / Под ред. Б. Е. Полева. — Л.: Химия.
• Руднев А. В. Кварц и его промышленное использование. — М.: Недра.