Силициум диоксид — оксид на силициум со хемиска формула , најчесто се среќава во природата како кварц. Во многу делови од светот, силициум диоксид е главната состојка на песокот. Силиката е една од најкомплексните и најзастапените фамилии на материјали, која постои како соединение од повеќе минерали и како синтетички производ. Забележителни примери вклучуваат фузиран кварц, гасен силициум диоксид, силика гел, опал и аерогели. Се користи во структурни материјали, микроелектроника (како електричен изолатор) и како компоненти во прехранбената и фармацевтската индустрија.

Структура лево|мини| Структурен мотив пронајден во α-кварцот, но исто така пронајден во речиси сите форми на силициум диоксид лево|мини| Типична подединица за силициум диоксид со низок притисок лево|мини| Врска помеѓу индексот на рефракција и густината за некои форми на SiO2 Во поголемиот дел од силициум диоксидот, силиконскиот атом покажува тетраедарска координација, со четири атоми на кислород што го опкружуваат централниот атом на Si (види 3-Д единична ќелија). Така, SiO2 формира 3-димензионални мрежни цврсти материи во кои секој атом на силикон е ковалентно поврзан на тетраедарски начин со 4 атоми на кислород. Спротивно на тоа, CO2 е линеарна молекула. Остро различните структури на диоксидите на јаглеродот и силициумот се манифестација на правилото за двојна врска.

SiO2 има неколку различни кристални форми, но тие речиси секогаш ја имаат истата локална структура околу Si и O. Во α-кварц должината на врската Si-O е 161 pm, додека кај α-тридимитот е во опсег од 154-171 pm. Аголот Si–O–Si исто така варира помеѓу ниска вредност од 140 ° кај α-тридимит, до 180° кај β-тридимит. Во α-кварцот, аголот Si–O–Si е 144°.

Полиморфизам Алфа кварцот е најстабилната форма на цврст SiO2 на собна температура. Високотемпературните минерали, кристобалит и тридимит, имаат и помала густина и пониски индекси на рефракција од кварцот. Трансформацијата од α-кварц во бета-кварц се одвива нагло на 573 °C. Бидејќи трансформацијата е придружена со значителна промена во волуменот, таа лесно може да предизвика фрактура на керамика или карпи кои минуваат низ оваа температурна граница. Минералите под висок притисок, сеифертитот, стишовитот и козитот, сепак, имаат поголема густина и индекси на рефракција од кварцот. Стишовитот има структура слична на рутил каде силиконот е 6-координати. Густината на стишовитот е 4.287 g/cm 3, што се споредува со α-кварцот, најгустиот од формите со низок притисок, кој има густина од 2,648 g/cm 3 . Разликата во густината може да се припише на зголемувањето на координацијата бидејќи шесте најкратки должини на Si-O врската во стишовитот (четири Si-O должини на врската од 176 pm и две други од 181 pm) се поголеми од должината на врската Si-O ( 161 часот) во α-кварц. Промената на координацијата ја зголемува јоноста на врската Si–O. Што е уште поважно, сите отстапувања од овие стандардни параметри претставуваат микроструктурни разлики или варијации, кои претставуваат пристап кон аморфно тело, стаклестото тело или стаклестото тело.

Фаујазит силика, друг полиморф, се добива со делуминирање на ниско-натриум, ултрастабилен Y зеолит со комбинирана киселина и топлинска обработка. Добиениот производ содржи над 99% силициум диоксид и има висока кристалиност и специфична површина (над 800 m 2/g). Фаујазит-силика има многу висока топлинска и киселинска стабилност. На пример, одржува висок степен на долг дострел на молекуларен ред или кристалност дури и по вриење во концентрирана хлороводородна киселина.

Растопен SiO2 Растопен силициум диоксид покажува неколку посебни физички одлики кои се слични на оние забележани во течна вода: негативна температурна експанзија, максимална густина на температури ~ 5000 °C и минимум топлински капацитет. Неговата густина се намалува од 2,08 g/cm 3 во 1950 °C до 2,03 g/cm3 на 2200 °C.

Молекуларен SiO2 Молекуларниот SiO2 има линеарна структура како CO. Се произведува со комбинирање на силициум моноксид (SiO) со кислород во аргон матрица. Димерниот силициум диоксид, (SiO2)2 е добиен со реакција на O2 со матрикс изолиран димерен силициум моноксид, (S2O2). Во димерниот силициум диоксид има два атоми на кислород кои се премостуваат помеѓу атомите на силиконот со агол Si–O–Si од 94° и должина на врската од 164,6 pm, а должината на терминалната врска Si–O е 150,2 pm. Должината на врската Si–O е 148,3 pm, што се споредува со должината од 161 pm во α-кварц. Енергијата на врската се проценува на 621,7 kJ/mol.

Природна појава

Геологија најчесто се наоѓа во природата како кварц, кој сочинува повеќе од 10% по маса од Земјината кора. Кварцот е единствениот полиморф на силициум диоксид стабилен на површината на Земјата. Метастабилни појави на формите под висок притисок коизит и стишовит се пронајдени околу структурите на ударот и се поврзани со еклогити формирани за време на метаморфизмот со ултра висок притисок. Високотемпературните форми на тридимит и кристобалит се познати од вулканските карпи богати со силика. Во многу делови од светот, силициум диоксид е главната состојка на песокот.

Биологија И покрај тоа што е слабо растворлив, силициум диоксид се јавува во многу растенија како што е оризот. Растителните материјали со висока содржина на силициум фитолит се смета дека се важни за животните кои пасат, од инсекти за џвакање до копитари. Силиката го забрзува трошењето на забите, а високите нивоа на силициум диоксид во растенијата кои често ги јадат тревопасните животни може да се развиле како одбранбен механизам против предаторството.

Силика е исто така примарна компонента на пепелта од оризова лушпа, која се користи, на пример, во филтрација и како дополнителен цементен материјал (SCM) во производството на цемент и бетон.

Повеќе од 1000 милиони години, силицификацијата во и од клетките е вообичаена во биолошкиот свет. Во современиот свет, се јавува кај бактерии, едноклеточни организми, растенија и животни (безрбетници и ’рбетници). Истакнати примери вклучуваат:

Тестови или фрустули (т.е. школки) на дијатоми, радиоларија и амеби. Силика фитолити во клетките на многу растенија, вклучувајќи ги и коњски опашки, практично сите треви и широк спектар на дикотиледони. Спикулите го формираат скелетот на многу сунѓери.

Кристалните минерали формирани во физиолошката средина често покажуваат исклучителни физички својства (на пр., сила, цврстина, цврстина на фрактура) и имаат тенденција да формираат хиерархиски структури кои покажуваат микроструктурен ред во низа размери. Минералите се кристализираат од средина која е недоволно заситена во однос на силициумот, и во услови на неутрална pH вредност и ниска температура (0-40 °C).

Употреба

Структурна употреба Околу 95% од комерцијалната употреба на силициум диоксид (песок) се јавува во градежната индустрија, на пр. за производство на бетон ( портланд цемент бетон).

Одредени наоѓалишта на силика песок, со посакувана големина и форма на честички и пожелна содржина на глина и други минерали, биле важни за песокот за лиење на метални производи. Високата точка на топење на силициум диоксид овозможува да се користи во такви апликации како што е лиење железо; модерното леење песок понекогаш користи други минерали од други причини.

Кристалниот силициум диоксид се користи при хидраулично фрактурирање на формации кои содржат цврсто масло и гас од шкрилци.

Претходник на стакло и силициум Силика е примарна состојка во производството на повеќето стакло. Како што другите минерали се топат со силика, принципот на депресија на точката на замрзнување ја намалува точката на топење на смесата и ја зголемува флуидноста. Температурата на транзиција на стаклото на чистиот SiO 2 е околу 1475 К. Кога растопениот силициум диоксид SiO2 брзо се лади, тој не се кристализира, туку се зацврстува како стакло. Поради ова, повеќето керамички глазури имаат силика како главна состојка.

Структурната геометрија на силициумот и кислородот во стаклото е слична на онаа во кварцот и повеќето други кристални форми на силициум и кислород со силициум опкружен со редовни тетраедри на кислородни центри. Разликата помеѓу стаклената и кристалната форма произлегува од поврзаноста на тетраедарските единици: Иако не постои периодичност на долг дострел во стаклената мрежа, редоследот останува на должината скали далеку од должината на врската SiO. Еден пример за ова подредување е претпочитањето да се формираат прстени од 6-тетраедри.

Поголемиот дел од оптичките влакна за телекомуникации исто така се направени од силика. Тоа е примарна суровина за многу керамика како што се глинени садови, камени садови и порцелан.

Силициум диоксид се користи за производство на елементарен силициум. Процесот вклучува карботоплинска редукција во електрична лачна печка:

SiO2 + 2 C -> Si + 2 CO

Парен силициум диоксид Испарената силика, позната и како пироген силициум диоксид, се подготвува со согорување на SiCl<sub id="mwAQg">4</sub> во водороден пламен богат со кислород за да се произведе „чад“ од SiO2 .

SiCl4 + 2 H2 + O2 -> SiO2 + 4 HCl

Може да се произведе и со испарување на кварцен песок во 3000 °C електричен лак. И двата процеса резултираат со микроскопски капки од аморфна силициум диоксид споени во разгранети, верижни, тридимензионални секундарни честички кои потоа се агломерираат во терциерни честички, бел прав со екстремно мала зафатнинска густина (0,03-,15 g/cm3) и со тоа висока површина . Честичките делуваат како тиксотропно средство за згуснување, или како средство против стврднување и може да се третираат за да се направат хидрофилни или хидрофобни за примена на вода или органска течност. мини|Произведен фумиран силициум диоксид со максимална површина од 380 m 2 /g Силициум чад е ултрафин прав собран како нуспроизвод од производството на силициум и легури на феросилициум. Се состои од аморфни (некристални) сферични честички со просечен дијаметар на честички од 150 nm, без разгранување на пирогениот производ. Главната употреба е како позолански материјал за бетон со високи перформанси. Испарените наночестички силика може успешно да се користат како средство против стареење во врзива за асфалт.

Прехранбени, козметички и фармацевтски апликации Силика, или колоидна, таложена или пирогена испарувана, е вообичаен додаток во производството на храна. Се користи првенствено како средство за проток или против стврднување во храната во прав, како што се зачините и кремот за кафе без млечни производи, или прашоци за да се формираат во фармацевтски таблети. Може да апсорбира вода во хигроскопски апликации. Колоиден силициум диоксид се користи како фино средство за вино, пиво и сок, со референца Е-број E551 .

Во козметиката, силициум диоксид е корисен поради својствата на дифузија на светлина и природната апсорпција.

Дијатомејската земја, миниран производ, се користи во храната и козметиката со векови. Се состои од силика школки на микроскопски дијатоми; во помалку обработена форма се продавала како „прашок за заби“. Произведената или минирана хидрирана силициум диоксид се користи како тврд абразив во пастата за заби.

Полупроводници Силиконскиот диоксид е широко користен во технологијата на полупроводници

за примарна пасивација (директно на полупроводничката површина), како оригинален диелектрик на портата во MOS технологијата. Денес, кога скалирањето напредува под 10 nm силициум диоксидот е заменет со други диелектрични материјали како хафниум оксид или слично со повисока диелектрична константа во споредба со силициум диоксид, како диелектричен слој помеѓу металните (жици) слоеви (понекогаш и до 8-10) поврзувачки елементи и како втор пасивационен слој (за заштита на полупроводничките елементи и слоевите за метализација) обично денес слоевит со некои други диелектрици како силициум нитрид.

Бидејќи силициум диоксидот е природен оксид на силициумот, тој е пошироко користен во споредба со другите полупроводници како галиум арсенид или индиум фосфид.