Ditlenek krzemu

Dwutlenek krzemu
Dwuwymiarowa prezentacja struktury krzemionki
Nazewnictwo
Nomenklatura systematyczna (IUPAC) ditlenek krzemu; tlenek krzemu(IV)
Inne nazwy i oznaczenia krzemionka
Ogólne informacje
Wzór sumaryczny	SiO2
Masa molowa	60,08 g/mol
Identyfikacja
Numer CAS	7631-86-9
PubChem	24261
Właściwości Gęstość i stan skupienia 2,648 g/cm³; ciało stałe Rozpuszczalność w wodzie 0,079 g/dm3 Temperatura topnienia 1600−1725 °C Temperatura wrzenia 2230 °C
Podobne związki
Podobne związki	tlenek krzemu, dwutlenek węgla, dwutlenek germanu, azotek krzemu
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą stanu standardowego (25 °C, 1000 hPa)

Ditlenek krzemu, dwutlenek krzemu (krzemionka), SiO₂ – nieorganiczny związek chemiczny, tlenek krzemu na +4 stopniu utlenienia.

Zwykle jest krystalicznym ciałem stałym o dużej twardości. Występuje powszechnie na Ziemi jako minerał kwarc − składnik różnego rodzaju skał, piasku i wielu minerałów. Tworzy kamienie półszlachetne.

Struktura

Wzór empiryczny dwutlenku krzemu (SiO₂) nie oddaje dobrze jego faktycznej struktury w stanie stałym. W rzeczywistości dwutlenek krzemu tworzy rozbudowane struktury przestrzenne, w których prawie każdy atom krzemu jest połączony z czterema atomami tlenu, zaś prawie każdy atom tlenu łączy się z dwoma atomami krzemu. W sieci tej występuje jednak wiele defektów. Ponadto powierzchnia krzemionki, w zależności od pochodzenia zawierać może atomy wodoru, metali alkalicznych lub grupy hydroksylowe.

Odmiany SiO₂

W naturze krzemionka powstaje w wyniku wytrącenia z gorących roztworów. Może przyjmować formę "bezpostaciową", a właściwie skrytokrystaliczną (opal, chalcedon). W wyższych temperaturach, we wnętrzu Ziemi tworzy formy krystaliczne: kwarc, trydymit, krystobalit, coesyt, stiszowit. W specyficznych warunkach powstaje lechaterieryt.

Krzemionka jest też końcowym produktem bardzo powolnego rozkładu krzemianów pod wpływem wody i dwutlenku węgla.

Najczęstszą postacią SiO₂ jest kwarc. Występuje on w przyrodzie w dużych ilościach jako piasek. Zawiera najczęściej różne zanieczyszczenia. Kryształy kwarcu mogą być bezbarwne, pięknie wykształcone, np. kryształ górski. Mogą być także zabarwione na kolor fioletowy, są to ametysty lub żółty – cytryny. Jeżeli występuje w postaci krystalicznej, jest nazywany kwarcem. Kwarc stanowi główny składnik skał: granitu, gnejsu, piaskowca. W zależności od postaci, w jakiej występuje i zabarwienia tlenek krzemu tworzy różne minerały. Krzemionka jest również głównym składnikiem wielu minerałów, m.in. opalu, który jest bezpostaciową odmianą kwarcu, chalcedonu i agatu.

Krzemionka jest bardzo rozpowszechnionym związkiem w skorupie ziemskiej. W miarę czyste jej postacie (głównie piasek i piaskowiec) stanowią ok. 12% jej masy, natomiast jeśli uwzględnić także wszystkie minerały, w skład których wchodzi SiO₂ jako część ich struktury, łączna jej zawartość wynosi ok. 50% skorupy ziemskiej.

Minerały SiO₂

Czysta krzemionka posiada kilka odmian krystalicznych. Pod normalnym ciśnieniem:

• kwarc α – w temperaturze 846 K (573 °C) przechodzi w kwarc β
• kwarc β – w temperaturze 1143 K (870 °C) przechodzi w trydymit β
• trydymit β – w temperaturze 1743 K (1470 °C) przechodzi w krystobalit β
• krystobalit β – w temperaturze 1983 K (1710 °C) ulega stopieniu.

W wysokich ciśnieniach występują ponadto odmiany: krystobalit α i trydymid α.

Inne odmiany:

• opal
• chalcedon
• lechaterieryt
• keatyt
• coesyt
• stiszowit
• coesyt

Krzemionka

Szybkie schładzanie ciekłej krzemionki prowadzi do otrzymania krzemionki bezpostaciowej, która składa się z kombinacji domen fazy amorficznej przemieszanej z domenami kwarcu, trydymitu i krystobalitu. Jest to tzw. krzemionka topiona.

Podczas bardzo wolnego ochładzania zestala się na szkliste, bezpostaciowe ciało stałe, tzw. szkło kwarcowe.

Krzemionka jest substancją stałą o dużej twardości. Topi się w temperaturze 1723 °C (można ją obniżyć dodając tzw. topniki). Temperatura wrzenia wynosi 2230 °C. Krzemionka ma wysoką odporność chemiczną. Reaguje z alkaliami, przy czym reakcje te przebiegają bardzo powoli, z wyjątkiem stężonych, gorących roztworów wodnych wodorotlenków, np. potasu (KOH) i sodu (NaOH). Reaguje ze stopionym Na₂CO₃ i K₂CO₃, gazowym fluorowodorem (HF) oraz kwasem fluorowodorowym.

W wyniku reakcji z KOH, NaOH, Na₂CO₃ i K₂CO₃ powstają odpowiednie sole – krzemiany sodu i potasu, które są rozpuszczalne w wodzie i sprzedawane jako tzw. szkło wodne. Tlenek krzemu(IV) ogrzewany z pierwiastkowym krzemem w próżni do temperatury 1250 °C daje tlenek krzemu(II) (SiO).

SiO₂ + Si → 2SiO

Zagrożenia

Rozdrobniona krzemionka (kwarc) może być przyczyną pylicy płuc. Szczególnie narażeni na tę chorobę są pracownicy zatrudnieni w piaskowniach, kopalniach oraz przemyśle, w którym wykorzystuje się piasek.
Cząstki pyłu o średnicy poniżej 3 μm osadzają się w pęcherzykach płucnych powodując zmiany w ich budowie, prowadzące do zwłóknienia płuc.

Zastosowanie

Z czystej krzemionki wytwarza się:

• szkło kwarcowe – całkowicie amorficzna krzemionka topiona o wysokiej czystości; charakteryzuje się bardzo niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej, w przeciwieństwie do szkła nie pochłania promieniowania UV. Stosowane do wyrobu szkła laboratoryjnego i elementów optycznych
• silikażel – kserożel uwodnionej krzemionki; stosowany jako środek suszący i faza stała w chromatografii
• aerożel krzemionkowy

Dwutlenek krzemu w formie piasku (kwarcowego) jest stosowany do produkcji szkła, szkła wodnego, zaprawy murarskiej, cementu, wyrobów ceramicznych, emalii, form odlewniczych i innych. Jest również surowcem do otrzymywania krzemu i jego stopów. Silikażel jest stosowany jako środek suszący, katalizator, nośnik katalizatorów. Odmiany dwutlenku krzemu są stosowane do wyrobów jubilerskich, a także do tworzenia przedmiotów ozdobnych, np. pucharów.

Kwarc oraz szkło kwarcowe są ważnymi materiałami stosowanymi w optyce, spektroskopii i elektronice.

Linki zewnętrzne

• Porównanie własności fizycznych krystalicznego kwarcu i szkła kwarcowego (ang.)