Оксид кремния(IV)¶

Оксид кремния(IV) (диоксид кремния, кремнезём, SiO₂) — бинарное неорганическое соединение кремния с кислородом, кислотный оксид. Представляет собой бесцветные кристаллы с высокой твёрдостью и температурой плавления. Является одним из самых распространённых соединений в земной коре (около 12 % по массе) и основным компонентом большинства горных пород, песка и кварца.

¶Физические свойства

В природе SiO₂ встречается в нескольких кристаллических модификациях и одной аморфной форме. Основные кристаллические полиморфы — кварц, тридимит и кристобалит. При нормальных условиях термодинамически стабильным является α-кварц. Каждая модификация существует в низкотемпературной (α) и высокотемпературной (β) формах, различающихся симметрией кристаллической решётки.

Кристаллический оксид кремния(IV) обладает высокой твёрдостью (7 баллов по шкале Мооса), химической стойкостью и является диэлектриком. Плотность кварца составляет около 2,65 г/см³. Температура плавления — около 1713 °C, температура кипения превышает 2500 °C. В расплавленном состоянии и в аморфном виде (кварцевое стекло) обладает способностью к стеклованию.

Аморфный диоксид кремния (кремнезём) встречается в виде опала, диатомита и кремниевого геля. Он менее плотный (2,2 г/см³) и обладает пористой структурой, что определяет его применение как адсорбента.

¶Химические свойства

Оксид кремния(IV) — кислотный оксид. Он химически инертен при комнатной температуре, но вступает в реакции при нагревании или в присутствии катализаторов.

С фтороводородной кислотой реагирует даже на холоду: SiO₂ + 4HF → SiF₄↑ + 2H₂O. На этом свойстве основано травление стекла.
С щелочами и основными оксидами при сплавлении образует силикаты: SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O.
С водными растворами щелочей реагирует медленно, образуя растворимые силикаты.
С углеродом при высокой температуре (электродуговая печь) восстанавливается до кремния: SiO₂ + 2C → Si + 2CO.
С металлическим кремнием при 1500 °C даёт летучий монооксид кремния SiO.
Не взаимодействует с водой и большинством кислот (кроме плавиковой).

¶Нахождение в природе

Оксид кремния(IV) — важнейший породообразующий минерал. В свободном виде он образует кварц, горный хрусталь, аметист, цитрин, агат, яшму, опал. В связанном виде входит в состав полевых шпатов, слюд, глин и многих других силикатов и алюмосиликатов.

Основные природные источники SiO₂:

кварцевые пески (чистый диоксид кремния);
кварциты и песчаники;
жильный кварц;
диатомит (осадочная порода из панцирей диатомовых водорослей, состоящая из аморфного кремнезёма).

Кремнезём также содержится в тканях растений (особенно злаков и хвощей) и в скелетах многих морских организмов — радиолярий, губок, диатомей.

¶Получение

В промышленности чистый диоксид кремния получают несколькими способами:

обогащением природных кварцевых песков (отмывка, флотация, магнитная сепарация);
гидролизом тетрахлорида кремния: SiCl₄ + 2H₂O → SiO₂ + 4HCl;
окислением кремния кислородом при высокой температуре;
разложением силикатов кислотами (для получения аморфного кремнезёма).

Для получения особо чистого кварцевого стекла используют природный горный хрусталь или синтетический диоксид кремния, получаемый пламенным гидролизом тетрахлорида кремния.

¶Применение

¶Стекольная промышленность

Основной потребитель SiO₂. Кварцевый песок — главный компонент шихты для производства оконного, тарного, оптического и лабораторного стекла. Чистое кварцевое стекло (плавленый кварц) применяется в оптике, для изготовления лабораторной посуды и в производстве оптического волокна.

¶Строительство

Песок и щебень из кварцитов используются как заполнители для бетонов и строительных растворов. Диоксид кремния входит в состав цемента, кирпича, керамических изделий.

¶Электроника

Монокристаллический кварц — пьезоэлектрик, применяется в кварцевых резонаторах для стабилизации частоты в электронных устройствах. Тонкие плёнки SiO₂ — ключевой диэлектрик в МОП-транзисторах и интегральных схемах.

¶Металлургия

Кварц используется как флюс при выплавке металлов, для производства ферросилиция, кристаллического кремния и карбида кремния.

¶Прочие области

Производство абразивов (наждачная бумага, шлифовальные круги);
изготовление огнеупорных материалов;
производство силикагеля — осушителя и адсорбента;
сырьё для получения кремния и его соединений;
в пищевой промышленности — как добавка E551 (антислеживатель);
в косметологии и фармацевтике — как наполнитель и загуститель;
производство стекловолокна и стеклопластиков.

¶Биологическая роль

Диоксид кремния считается биологически инертным. При вдыхании мелкодисперсной пыли кристаллического кварца может развиваться профессиональное заболевание — силикоз. Аморфный кремнезём менее опасен. В небольших количествах соединения кремния необходимы для нормального роста костной и соединительной ткани, однако точные механизмы их участия в метаболизме человека изучены не полностью.

¶Интересные факты

Горный хрусталь — природный кристалл кварца, использовавшийся ещё в античности для изготовления линз и украшений.
Аметист, цитрин, морион — разновидности кварца, окрашенные примесями железа, алюминия или радиационными дефектами.
В электронной промышленности плёнки SiO₂ толщиной в несколько нанометров служат подзатворным диэлектриком в современных процессорах.
Кварцевое стекло пропускает ультрафиолетовое излучение, в отличие от обычного силикатного стекла, что делает его незаменимым для изготовления ртутных ламп.