二氧化硅

 

二氧化硅廣泛存在于自然界中，與其他礦物共同構(gòu)成了巖石。天然二氧化硅稱為硅石，約占地殼質(zhì)量的12%，其存在形式有結(jié)晶態(tài)和無(wú)定形態(tài)兩種。石英晶體是結(jié)晶的二氧化硅，具有不同的晶型和色彩。石英中無(wú)色透明的晶體是通常所說(shuō)的水晶。具有彩色環(huán)帶狀或?qū)訝畹姆Q為瑪瑙（含有雜質(zhì)）。

二氧化硅礦物是指化學(xué)式相同(SiO?)，但結(jié)構(gòu)有差異的礦物，這些礦物統(tǒng)稱為類質(zhì)異像體，主要包括石英、方石英和鱗石英。這些礦物在地球上主要存于花崗巖、砂巖和黑硅巖中，而月球上幾乎缺乏，主要原因是：化學(xué)成分演化上，月球形成一個(gè)低硅、高鋁的月殼，高硅的花崗質(zhì)巖石極為稀少；月球在演化上缺乏像地球一樣有一個(gè)可以結(jié)晶出二氧化硅礦物的水系和熱水體系。盡管二氧化硅礦物在月球巖石上極為稀少，但對(duì)月球巖石的分類和成因的研究具有重要的作用。

月球上的石英礦物最早是在幾塊類花崗巖碎處中發(fā)現(xiàn)的，在霏細(xì)巖中同時(shí)也充填了不少方石英礦物，從其微細(xì)結(jié)構(gòu)和成分的分析表明，這些石英實(shí)際上是由方石英變化過(guò)來(lái)的。后來(lái)在粗晶狀的月球花崗巖碎塊中也發(fā)現(xiàn)有石英礦物，根據(jù)其同位素的分析結(jié)果，這些礦物是41億年左右，在較深的環(huán)境下結(jié)晶形成的，說(shuō)明這些石英不是在巖漿巖形成期間結(jié)晶形成的。

月海武巖中的二氧化硅礦物絕大多數(shù)是方石英，體積百分?jǐn)?shù)最多可達(dá)5%，幾乎沒(méi)有石英礦物，只有在細(xì)晶狀月海玄武巖中才存在少量的石英礦物，這些方石英具有典型的雙晶結(jié)構(gòu)表明：在熔漿冷卻過(guò)程中，從高溫到低溫條件下形成的方石英都有。另外，在一些粗晶狀的月海玄武巖中也同時(shí)存在方石英和鱗石英，但從結(jié)構(gòu)特征看，方石英是由鱗石英轉(zhuǎn)變的，因?yàn)轺[石英一般是鑲嵌在于不規(guī)則的顆粒之間。

二氧化硅又稱硅石，化學(xué)式SiO?。自然界中存在有結(jié)晶二氧化硅和無(wú)定形二氧化硅兩種。
結(jié)晶二氧化硅因晶體結(jié)構(gòu)不同，分為石英、鱗石英和方石英三種。純石英為無(wú)色晶體，大而透明棱柱狀的石英叫水晶。若含有微量雜質(zhì)的水晶帶有不同顏色，有紫水晶、茶晶等。普通的砂是細(xì)小的石英晶體，有黃砂（較多的鐵雜質(zhì)）和白砂（雜質(zhì)少、較純凈）。二氧化硅晶體中，硅原子的4個(gè)價(jià)電子與4個(gè)氧原子形成4個(gè)共價(jià)鍵，硅原子位于正四面體的中心，4個(gè)氧原子位于正四面體的4個(gè)頂角上，SiO?是表示組成的最簡(jiǎn)式，僅是表示二氧化硅晶體中硅和氧的原子個(gè)數(shù)之比。二氧化硅是原子晶體。

自然界存在的硅藻土是無(wú)定形二氧化硅，是低等水生植物硅藻的遺體，為白色固體或粉末狀，多孔、質(zhì)輕、松軟的固體，吸附性強(qiáng)。

不溶于水。

化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定。不跟水反應(yīng)。是酸性氧化物，不跟一般酸反應(yīng)。氣態(tài)氟化氫跟二氧化硅反應(yīng)生成氣態(tài)四氟化硅。跟熱的濃強(qiáng)堿溶液或熔化的堿反應(yīng)生成硅酸鹽和水。跟多種金屬氧化物在高溫下反應(yīng)生成硅酸鹽。用于制造石英玻璃、光學(xué)儀器、化學(xué)器皿、普通玻璃、耐火材料、光導(dǎo)纖維，陶瓷等。二氧化硅的性質(zhì)不活潑，它不與除氟、氟化氫以外的鹵素、鹵化氫以及硫酸、硝酸、高氯酸作用（熱濃磷酸除外）。

常見(jiàn)的濃磷酸（或者說(shuō)焦磷酸）在高溫下即可腐蝕二氧化硅，生成雜多酸 ，高溫下熔融硼酸鹽或者硼酐亦可腐蝕二氧化硅，鑒于此性質(zhì)，硼酸鹽可以用于陶瓷燒制中的助熔劑，除此之外氟化氫也可以可使二氧化硅溶解的酸，生成易溶于水的氟硅酸： 6HF+SiO2=H2SiF6+2H2O

二氧化硅一般情況下不與水反應(yīng)，即與水接觸不生成硅酸，但人為規(guī)定二氧化硅為硅酸的酸酐。

在大多數(shù)微電子工藝感興趣的溫度范圍內(nèi)，二氧化硅的結(jié)晶率低到可以被忽略。
盡管熔融石英不是長(zhǎng)范圍有序，但它卻表現(xiàn)出短的有序結(jié)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)可認(rèn)為是4個(gè)氧原子位于四面體的頂點(diǎn)上。多面體中心是一個(gè)硅原子。

這樣，每4個(gè)氧原子近似共價(jià)鍵合到硅原子，滿足了硅的化合價(jià)外殼。如果每個(gè)氧原子是兩個(gè)多面體的一部分，則氧的化合價(jià)也被滿足，結(jié)果就成了稱為石英的規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)。

在熔融石英中，某些氧原子，成為氧橋位，與兩個(gè)硅原子鍵合。某些氧原子沒(méi)有氧橋，只和一個(gè)硅原子鍵合。

可以認(rèn)為熱生長(zhǎng)二氧化硅主要是由任意方向的多面體網(wǎng)絡(luò)組成的。與無(wú)氧橋位相比，有氧橋的部分越大，氧化層的粘合力就越大，而且受損傷的傾向也越小。干氧氧化層的有氧橋與無(wú)氧橋的比率遠(yuǎn)大于濕氧氧化層。

二氧化硅用于制造平板玻璃，玻璃制品，鑄造砂，玻璃纖維，陶瓷彩釉，防銹用噴砂，過(guò)濾用砂，熔劑，耐火材料以及制造輕量氣泡混凝土。 二氧化硅的用途很廣。自然界里比較稀少的水晶可用以制造電子工業(yè)的重要 部件、光學(xué)儀器和工藝品。 二氧化硅是制造光導(dǎo)纖維的重要原料。 一般較純凈的石英，可用來(lái)制造石英玻璃。石英玻璃膨脹系數(shù)很小，相當(dāng)于 普通玻璃的1/18，能經(jīng)受溫度的劇變，耐酸性能好（除HF外），因此，石英玻璃 常用來(lái)制造耐高溫的化學(xué)儀器。 石英砂常用作玻璃原料和建筑材料。

二氧化硅是制造玻璃、石英玻璃、水玻璃、光導(dǎo)纖維、電子工業(yè)的重要部件、光學(xué)儀器、工藝品和耐火材料的原料，是科學(xué)研究的重要材料。

當(dāng)二氧化硅結(jié)晶完美時(shí)就是水晶；二氧化硅膠化脫水后就是瑪瑙；二氧化硅含水的膠體凝固后就成為蛋白石；二氧化硅晶粒小于幾微米時(shí)，就組成玉髓、燧石、次生石英巖。物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)均十分穩(wěn)定的礦產(chǎn)資源，晶體屬三方晶系的氧化物礦物，即低溫石英（α-石英），是石英族礦物中分布最廣的一個(gè)礦物種。廣義的石英還包括高溫石英（β-石英）。石英塊又名硅石，主要是生產(chǎn)石英砂(又稱硅砂)的原料，也是石英耐火材料和燒制硅鐵的原料。

食品工業(yè)用作抗結(jié)劑、消泡劑、增稠劑、助濾劑、澄清劑。我國(guó)《食品添加劑使用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB2760-2011)規(guī)定：可用于蛋粉、糖粉、奶粉、可可粉、可可脂、植物性粉末、速溶咖啡、湯料粉等，最大使用量為15g/kg，粉末香精，最大使用量為80g/kg；固體飲料，最大使用量為0.2g/kg；糧食，1.2g/kg。

玻璃

二氧化硅

平板玻璃、浮法玻璃、玻璃制品（玻璃罐、玻璃瓶、玻璃管等）、光學(xué)玻璃、玻璃纖維、玻璃儀器、導(dǎo)電玻璃、玻璃布及防射線特種玻璃等的主要原料

陶瓷及耐火材料

瓷器的胚料和釉料，窯爐用高硅磚、普通硅磚以及碳化硅等的原料

冶金

硅金屬、硅鐵合金和硅鋁合金等的原料或添加劑、熔劑

建筑

混凝土、膠凝材料、筑路材料、人造大理石、水泥物理性能檢驗(yàn)材料（即水泥標(biāo)準(zhǔn)砂）等

化工

硅化合物和水玻璃等的原料，硫酸塔的填充物，無(wú)定形二氧化硅微粉

機(jī)械

鑄造型砂的主要原料，研磨材料（噴砂、硬研磨紙、砂紙、砂布等）

電子

高純度單晶硅（非金屬）、通訊用光纖等

橡膠、塑料

填料（可提高耐磨性）

涂料

填料（可提高涂料的耐候性）

醫(yī)學(xué)

新加坡國(guó)立大學(xué)工程學(xué)院生物工程系的研究人員研制出一種新技術(shù)，能夠通過(guò)二氧化硅納米粒子將紅外光轉(zhuǎn)化為紫外光和可見(jiàn)光，為深層腫瘤的非侵入性療法鋪平了道路。據(jù)稱，該技術(shù)能夠抑制腫瘤生長(zhǎng)，控制其基因表達(dá)，是世界上首個(gè)使用納米粒子治療深層腫瘤的非侵入性光動(dòng)力療法。

二氧化硅在日常生活、生產(chǎn)和科研等方面有著重要的用途，但有時(shí)也會(huì)對(duì)人體造成危害。二氧化硅的粉塵極細(xì)，比表面積達(dá)到100m2/g以上可以懸浮在空氣中，如果人長(zhǎng)期吸入含有二氧化硅的粉塵，就會(huì)患硅肺病（因硅舊稱為矽，硅肺舊稱為矽肺）。

硅肺是一種職業(yè)病，它的發(fā)生及嚴(yán)重程度，取決于空氣中粉塵的含量和粉塵中二氧化硅的含量，以及與人的接觸時(shí)間等。長(zhǎng)期在二氧化硅粉塵含量較高的地方，如采礦、翻砂、噴砂、制陶瓷、制耐火材料等場(chǎng)所工作的人易患此病。