二氧化硅

简介


纯二氧化硅
二氧化硅
silicon dioxide
CAS号：7631-86-9
分子形状：四方晶系
摩尔质量:60.1 g mol-1
化学式SiO2，式量60.08。也叫硅石，是一种坚硬难溶的固体。它常以石英、鳞石英、方石英三种变体出现。从地面往下16千米几乎65％为二氧化硅的矿石。天然的二氧化硅分为晶态和无定形两大类，晶态二氧化硅主要存在于石英矿中。纯石英为无色晶体，大而透明的棱柱状石英为水晶。二氧化硅是硅原子跟四个氧原子形成的四面体结构的原子晶体，整个晶体又可以看作是一个巨大分子，SiO2是最简式，并不表示单个分子。
编辑本段
物理性质

二氧化硅又称硅石，化学式SiO2。自然界中存在有结晶二氧化硅和无定形二氧化硅两种。
沙状二氧化硅
结晶二氧化硅因晶体结构不同，分为石英、鳞石英和方石英三种。纯石英为无色晶体，大而透明棱柱状的石英叫水晶。若含有微量杂质的水晶带有不同颜色，有紫水晶、茶晶、墨晶等。普通的砂是细小的石英晶体，有黄砂(较多的铁杂质)和白砂(杂质少、较纯净)。二氧化硅晶体中，硅原子的4个价电子与4个氧原子形成4个共价键，硅原子位于正四面体的中心，4个氧原子位于正四面体的4个顶角上，整个晶体是一个巨型分子，SiO2是表示组成的最简式不表示单个二氧化硅分子，仅是表示二氧化硅晶体中硅和氧的原子个数之比。
SiO2中Si—O键的键能很高，熔点、沸点较高（熔点1723℃，沸点2230℃）。
自然界存在的硅藻土是无定形二氧化硅，是低等水生植物硅藻的遗体，为白色固体或粉末状，多孔、质轻、松软的固体，吸附性强。
编辑本段
化学性质

化学性质很稳定。不溶于水也不跟水反应。是酸性氧化物，不跟一般酸反应。气态氟化氢或氢氟酸跟二氧化硅反应生成气态四氟化硅。跟热的强碱溶液或熔化的碱反应生成硅酸盐和水。跟多种金属氧化物在高温下反应生成硅酸盐。用于制造石英玻璃、光学仪器、化学器皿、普通玻璃、耐火材料、光导纤维，陶瓷等。二氧化硅的性质不活泼，它不与除氟、氟化氢和氢氟酸以外的卤素、卤化氢和氢卤酸以及硫酸、硝酸、高氯酸作用。氟化氢(氢氟酸)是唯一可使二氧化硅溶解的酸，生成易溶于水的氟硅酸：测其二氧化硅的比表面积。
SiO2 ＋ 4HF = SiF4↑ ＋ 2H2O
酸氧通性：
二氧化硅与碱性氧化物
SiO2 ＋ CaO =（高温） CaSiO3
二氧化硅能溶于浓热的强碱溶液：
SiO2 ＋ 2NaOH = Na2SiO3 ＋ H2O
（盛碱的试剂瓶不能用玻璃塞而用橡胶塞的原因）
在高温下，二氧化硅能被碳、镁、铝还原：
S

iO2＋2C＝（高温）Si＋2CO↑
编辑本段
结构

在大多数微电子工艺感兴趣的温度范围内，二氧化硅的结晶率低到可以被忽略。
二氧化硅材料
尽管熔融石英不是长范围有序，但她却表现出短的有序结构，它的结构可认为是4个氧原子位于四面体的顶点上。多面体中心是一个硅原子。这样，每4个氧原子近似共价键合到硅原子，满足了硅的化合价外壳。如果每个氧原子是两个多面体的一部分，则氧的化合价也被满足，结果就成了称为石英的规则的晶体结构。在熔融石英中，某些氧原子，成为氧桥位，与两个硅原子键合。某些氧原子没有氧桥，只和一个硅原子键合。可以认为热生长二氧化硅主要是由人以方向的多面体网络组成的。与无氧桥位相比，有氧桥的部分越大，氧化层的粘合力就越大，而且受损伤的倾向也越小。干氧氧化层的有氧桥与无氧桥的比率远大于湿氧氧化层。因此，可以认为，SiO2与其说是原子晶体，却更近似于离子晶体。氧原子与硅原子之间的价键向离子键过渡。
编辑本段
矿物介绍

二氧化硅矿物是指分子表达式相同（SiO2），但结构有差异的矿物，这些矿物统称为类质异像体，主要包括石英、方石英和鳞石英。这些矿物在地球上主要存于花岗岩、砂岩和黑硅岩中，而月球上几乎缺乏，主要原因是：化学成分演化上，月球形成一个低硅、高铝的月壳，高硅的花岗质岩石极为稀少；月球在演化上缺乏像地球一样有一个可以结晶出二氧化硅矿物的水系和热水体系。尽管二氧化硅矿物在月球岩石上极为稀少，但对月球岩石的分类和成因的研究具有重要的作用。

二氧化硅抗结剂
月球上的石英矿物最早是在几块类花岗岩碎处中发现的，在霏细岩中同时也充填了不少方石英矿物，从其微细结构和成分的分析表明，这些石英实际上是由方石英变化过来的。后来在粗晶状的月球花岗岩碎块中也发现有石英矿物，根据其同位素的分析结果，这些矿物是41亿年左右，在较深的环境下结晶形成的，说明这些石英不是在岩浆岩形成期间结晶形成的。
月海武岩中的二氧化硅矿物绝大多数是方石英，体积百分数最多可达5％，几乎没有石英矿物，只有在细晶状月海玄武岩中才存在少量的石英矿物，这些方石英具有典型的双晶结构表明：在熔浆冷却过程中，从高温到低温条件下形成的方石英都有。另外，在一些粗晶状的月海玄武岩中也同时存在方石英和鳞石英，但从结构特征看，方石英是由鳞石英转变的，因为鳞石英一般是镶嵌在于不规则的颗粒之间。
编辑本段
测定介绍

动物胶凝聚重量法
·试剂
无水碳酸钠（

固体）
盐酸（比重1.19）1％动物胶水溶液取1克动物胶溶于100毫升热水中（随配随用）。热盐酸洗液（5：95％）
·操作步骤
精确称取研细并在105-110℃干燥过的试样0.5-1克于铂坩埚中，称取无水碳酸钠约6-8倍试样重，将2/3加坩埚和试样搅拌均匀，留下的无水碳酸钠铺于混合物表面，盖上坩埚盖，开始用小火烘烧10-25分钟，然后用大火灼烧30分钟。待其冷却后，用热水将熔融物
医用二氧化硅
洗入500毫升烧杯内，铂坩埚用1：1稀盐酸洗净，洗液并入烧杯，盖好表面皿，徐徐加入比重1.19的浓盐酸15-20毫升，将烧杯置于水浴上蒸发至湿盐状，再加入10毫升浓盐酸，放置过夜（如工作急需，在加入盐酸后可加热近沸，稍冷，按下述手续进行）。将烧杯置于60-70℃水浴中，当杯中液体到达水浴的温度时，加入新鲜配制的1％动物胶溶液10毫升，同时用玻璃棒剧烈搅拌4-5分钟，再在水浴中保温10分钟。然后将烧杯取出，待其冷却后用中速无灰滤纸过滤于250毫升容量瓶中，用5：95热盐酸洗涤烧杯4-5次，并将二氧化硅沉淀及氯化钠等盐的晶体尽可能全部移入滤纸内。然后用带有橡皮头的玻璃棒擦净烧杯，将橡皮头上所沾的沉淀用5：95热盐酸洗入滤纸上，沉淀继续用5：95的热盐酸溶液洗至接近无铁离子（沉淀呈白色或洗液无黄色），最后用热水洗涤3-4次。
将滤液和洗液混匀，冷却至室温，用水稀释至刻度摇匀，以备测定Al2O3、Fe2O3、TiO2、MnO2、CaO、MgO等将滤纸连同沉淀置于已在900-1000℃灼烧至恒重的铂坩埚中，先在酒精灯上用小火将滤纸灰化至沉淀物为白色，然后在煤气喷灯或酒精喷灯上灼烧30分钟左右（或放入高温电炉中，逐渐升温至900-950℃保温30分钟）。取出稍冷后，移入干燥器内，冷却至室温后称重，再灼烧至恒重。
重量法与比色法联用
·试剂
盐酸（比重1.19），硫酸（比重1.84），硝酸（比重1.42），氢氟酸（40％）10％氢氧化钠溶液取氢氧化钠10克溶于水中，冷却后稀释至100毫升，混匀，移入塑料瓶中贮存。
硼酸10％酒石酸溶液将10克酒石酸溶于水中，稀释至100毫升，混匀，移入塑料瓶中贮存。对硝基苯酚指示剂取对硝基苯酚0.5克溶于100毫升乙醇中。8％钼酸铵溶液称取8克钼酸铵溶于100毫升水中，贮于塑料瓶中，过滤使用，如出现沉淀则不可使用。5％抗坏血酸溶液取5克抗坏血酸溶于100毫升水中，贮存于塑料瓶中，一周后更换新鲜溶液。95％乙醇甲醇2％氟化钾溶液取氟化钾2克溶于水中稀释至100毫升（贮于塑料瓶中）。2％硼酸溶液取硼酸2克溶于水中稀释至100毫升。
二氧化硅贮备液（1毫升含0.5毫克二氧化硅）准确

称取在1000℃灼烧两小时的二氧化硅(99.99%)0.5克于铂坩埚中，加入无水碳酸钠5克拌匀，在1000℃中熔融5分钟，取出冷却。在500毫升烧杯中，用沸水浸出，冷却。移入1000毫升容量瓶中稀释在至刻度，摇匀。二氧化硅标准液（1毫升含0.01毫克二氧化硅）取上述贮备液10毫升，稀释至500毫升容量瓶中。
·操作步骤
主量二氧化硅的测定：精确称取105-110℃干燥过的试样0.5-1克于铂金坩埚中，加入4克无水碳酸钠，混匀，上面再覆盖1克，置于高温沪中，于1000℃熔融15-20分钟，取出坩埚，冷却后移入瓷蒸发皿内。用少许盐酸（1：1）洗净坩埚盖，盖上表面皿，加开水20毫升，盐酸（1：1）30毫升，硫酸(1:1)10滴。待试样分解后，用热水洗净坩埚，将瓷蒸发皿移到沸水浴上，间歇搅拌，蒸发至干。用平头玻璃棒小心压碎结块，再蒸至无盐酸味，然后移入恒温箱内，于110℃保温1小时，使其脱水完全。取出冷却后，加入10毫升盐酸（比重1.19），在沸水浴上放置10分钟，用中速定量滤纸过滤于500毫升容量瓶中，用1：19热盐酸洗涤沉淀，并用带有橡皮头的玻璃棒擦净蒸发皿，冲洗5次，使转移完全。再用热水洗沉于无氯离子，大约6-8次即可。将沉淀移入铂坩埚内，加盖盖好并留一条缝隙，先低温灰化，然后入入高温炉内，1100℃灼烧半小时，称至恒重（两次称重差≤0.0004g），加入少许水润湿已恒重的沉淀，加入5滴硫酸（1：1），10毫升氢氟酸（40％），先小火，然后逐渐升温至开始冒烟，取下冷却，再加入2-3滴硫酸(1:1),10毫升氢氟酸，蒸发至白烟逸尽。移入1100℃高温炉中灼烧30分钟，冷却称得。如残渣超出10毫克，则分析无效，重新称样测定。用1克焦硫酸钾熔融残渣，加入几滴稀盐酸浸取，加热溶解后，洗入三液中，用水稀释至容量瓶刻度以备测定残余二氧化硅和其他成分。
·计算
主量二氧化硅按下式计算：式中SiO2(m1)一一脱水法测得的主量二氧化硅；M1一一沉淀与坩埚重量，克；M2一一残渣与坩埚重量，克；G一一称取的试样重量，克。滤液中残余硅的测定（钼蓝比色法）：准确吸取备用试液（分离二氧化硅后的滤液）10毫升于塑料杯中，同时吸取一份空白滤液同样操作。加入氟化钠（2％）5毫升，混匀，放置10分钟，加入硼酸溶液（2％）5毫升，摇匀，加对硝基苯酚指示剂一滴，用氢氧化钠逐滴中和至黄色，然后用盐酸(2N)中和至黄色消失，再过量5毫升，加钼酸铵（8％）4毫升，乙醇8毫升，摇匀，于20-40℃放置15分钟，然后加入20毫升盐酸（1：1），酒石酸（10％）5毫升，立即加入抗坏血酸5毫升。移入100毫升容量瓶中，稀释至刻度，摇匀。从加还原剂

开始计算，1小时后，以蒸馏水为参比，在72型分光光度计上，于波长650纳米，2厘米比色槽测定消光值。减去空白，然后在标准曲线上查出相应量，计算出试样及残余硅的百分含量。
标准曲线的绘制：用滴定管分取标准硅溶液（每毫升含二氧化硅0.01毫克）3、5、7、9、11、13毫升于塑料杯中，然后按上述操作方法操作。以消光值与相应浓度含量绘制标准曲线。
残余二氧化硅含量的计算：式中SiO2（m2）一一滤液中残余SiO2的含量；A一一从标准曲线中查出SiO2量，克G一一称取试样重量，克二氧化硅总量计算：SiO2（总）%=SiO2（m1）%+SiO2（m2）%
编辑本段
应用

二氧化硅是制造玻璃、石英玻璃、水玻璃、光导纤维、电子工业的重要部件、光学仪器、工艺品和耐火材料的原料。
当二氧化硅结晶完美时就是水晶；二氧化硅胶化脱水后就是玛瑙；二氧化硅含水的胶体凝固后就成为蛋白石；二氧化硅晶粒小于几微米时，就组成玉髓、燧石、次生石英岩。
二氧化硅
物理性质和化学性质均十分稳定的矿产资源，晶体属三方晶系的氧化物矿物，即低温石英（a-石英），是石英族矿物中分布最广的一个矿物种。广义的石英还包括高温石英（b-石英）。石英块又名硅石，主要是生产石英砂(又称硅砂)的原料，也是石英耐火材料和烧制硅铁的原料。
玻璃
平板玻璃、浮法玻璃、玻璃制品（玻璃罐、玻璃瓶、玻璃管等）、光学玻璃、玻璃纤维、玻璃仪器、导电玻璃、玻璃布及防 射线特种玻璃等的主要原料
陶瓷及耐火材料
瓷器的胚料和釉料，窑炉用高硅砖、普通硅砖以及碳化硅等的原料
冶金
硅金属、硅铁合金和硅铝合金等的原料或添加剂、熔剂
建筑
混凝土、胶凝材料、筑路材料、人造大理石、水泥物理性能检验材料（即水泥标准砂）等
化工
硅化合物和水玻璃等的原料，硫酸塔的填充物，无定形二氧化硅微粉
机械
铸造型砂的主要原料，研磨材料（喷砂、硬研磨纸、砂纸、砂布等）
电子
高纯度金属硅、通讯用光纤等
橡胶、塑料
（可提高耐磨性）
涂料
填料（可提高涂料的耐候性）
编辑本段
食品

在食品工业中主要用于防止粉状食品聚集结块，以保持自由流动的一类食品添加剂或用于吸附液态的香料、油脂、维生素等，使之成为粉末状，如粉末油脂、固体香料和固体酒之类制品。（例：奶粉）
编辑本段
危害

二氧化硅在日常生活、生产和科研等方面有着重要的用途，但有时也会对人体造成危害。
二氧化硅的粉尘极细，比表面积达到100m2/g以上可以悬浮在空气

中，如果人长期吸入含有二氧化硅的粉尘，就会患硅肺病（因硅旧称为矽，硅肺旧称为矽肺）。
硅肺是一种职业病，它的发生及严重程度，取决于空气中粉尘的含量和粉尘中二氧化硅的含量，以及与人的接触时间等。长期在二氧化硅粉尘含量较高的地方，如采矿、翻砂、喷砂、制陶瓷、制耐火材料等场所工作的人易患此病。
因此，在这些粉尘较多的工作场所，因采取严格的劳动保护措施，采用多种技术和设备控制工作场所的粉尘含量，以保证工作人员的身体健康。
编辑本段
用途介绍

二氧化硅的用途很广。自然界里比较稀少的水晶可用以制造电子工业的重要部件、光学仪器和工艺品。
二氧化硅是制造光导纤维的重要原料。一般较纯净的石英，可用来制造石英玻璃。石英玻璃膨胀系数很小，相当于。普通玻璃的1/18，能经受温度的剧变，耐酸性能好（除HF外），因此，石英玻璃常用来制造耐高温的化学仪器。石英砂常用作玻璃原料和建筑材料。
从硅石获得消光剂的方法很多，根据其制造工艺主要可以分为两类。一类是热液法制造，生产的二氧化硅形态相对较为松软。用硅胶制造的产品质地则较硬。经过处理后的两类产品均可制成标准的二氧化硅消光剂。处理过程是指使用有机（石蜡）或无机材料对二氧化硅表面进行一定程度的改性。与硅胶消光剂相比，处理过的二氧化硅拥有不同的粒径、粒径分布和孔隙体积。热液法消光剂在粒径和分布方面也不同。未处理与处理过的产品也有所不同。目前只有一种消光剂适应于特殊场合，该消光剂采用热解法制造，拥有很强的消光效率，且特别适用于水基涂料体系。
二氧化硅的消光效果相对较强，浓度较高时可能导致粘度升高。储存过程中有沉淀的趋势，特别是未经处理的二氧化硅。为了避免积聚，我们可以使用石蜡或热解法二氧化硅。该消光剂能够调节45°、60°和85°方位的消光度。添加了二氧化硅消光剂的涂料可以进行罩涂。所有这些都是‘stir-in’产品。
合成的硅酸铝能部分替代二氧化钛做为一种高质量增量剂使用，可应用于乳液底漆。该产物在干燥的乳液漆膜中能表现出均衡的消光效果。在长油醇酸树脂体系中可做为消光剂使用，但必须与颜料和填料一起进行分散。除了在粉末涂料系统中，二氧化硅消光剂可应用于所有的涂料