Ditlenek krzemu

Ditlenek krzemu

Dwuwymiarowa prezentacja struktury krzemionki
Struktura 2D ditlenku krzemu
Nazewnictwo Nomenklatura systematyczna (IUPAC) konst. ditlenek krzemu, tlenek(2−) krzemu(4+), tlenek krzemu(4+), tlenek krzemu(IV) podst. dioksosilan, silanodion addyt. dioksydokrzem Inne nazwy i oznaczenia Stocka tlenek krzemu(IV) inne pot. krzemionka, dawniej: dwutlenek krzemu
Ogólne informacje
Wzór sumaryczny	SiO2
Masa molowa	60,08 g/mol
Wygląd	bezbarwne kryształy[1]
Minerały	kwarc, trydymit, krystobalit, coesyt, stiszowit, lechatelieryt
Identyfikacja
Numer CAS	7631-86-9
PubChem	24261
SMILES O=[Si]=O
InChI InChI=1S/O2Si/c1-3-2 InChIKey VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N
Właściwości Gęstość 2,648 g/cm³ (kwarc α)[1]; ciało stałe 2,533 g/cm³ (600 °C; kwarc β)[1]; ciało stałe 2,265 g/cm³ (trydymit)[1]; ciało stałe 2,334 g/cm³ (krystobalit)[1]; ciało stałe 2,196 g/cm³ (forma amorficzna)[1]; ciało stałe Rozpuszczalność w wodzie nierozpuszczalny[1] w innych rozpuszczalnikach kwas fluorowodorowy; nierozpuszczalny w kwasach mineralnych[1] Temperatura topnienia 1713 °C (forma amorficzna)[1] 1722 °C (krystobalit)[1] Temperatura wrzenia 2950 °C[1]
Niebezpieczeństwa Karta charakterystyki: dane zewnętrzne firmy Sigma-Aldrich [dostęp 2012-07-13] Globalnie zharmonizowany system klasyfikacji i oznakowania chemikaliów Na podstawie podanego źródła[2] Uwaga Zwroty H H319, H335 Zwroty P P261, P305+P351+P338 Europejskie oznakowanie substancji oznakowanie ma znaczenie wyłącznie historyczne Na podstawie podanego źródła[2] Drażniący (Xi) Zwroty R R36/37 Zwroty S S26, S36 NFPA 704 Na podstawie podanego źródła[3] 0 2 0   Numer RTECS VV7310000 Dawka śmiertelna LD50 3160–7500 mg/kg (szczur, doustnie)[2]
Podobne związki
Podobne związki	SiO, CO2, GeO2, Si3N4
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą stanu standardowego (25 °C, 1000 hPa)

Ditlenek krzemu, krzemionka (nazwa Stocka: tlenek krzemu(IV)), SiO₂ – nieorganiczny związek chemiczny z grupy tlenków, w którym krzem występuje na IV 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.

W maju 2007 r. łazik Spirit odkrył na Marsie obszar bogaty w 90% w ditlenek krzemu. Naukowcy przypuszczają, że krzemionka na Marsie pochodzi z interakcji gleby z kwaśnymi opadami, tworzonymi przez aktywność wulkaniczną w obecności wody, co wskazywałoby na istnienie wody na Marsie w przeszłości^[4].

Struktura

Wzór empiryczny ditlenku krzemu (SiO₂) nie oddaje dobrze jego faktycznej struktury w stanie stałym. W rzeczywistości ditlenek 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 może zawierać 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 i stiszowit. W specyficznych warunkach powstaje lechatelieryt.

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 i pięknie wykształcone, np. kryształ górski. Mogą być także zabarwione na kolor fioletowy (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.

Krzemionka biogeniczna

Niektóre postacie krzemionki (także uwodnionej, jako opal) powstają w organizmach żywych. Krzemionka jest składnikiem skorupek okrzemek, których złoża tworzą diatomit zawierający 80–95% krzemionki^[5]. Rośliny wytwarzają drobne krzemionkowe twory zwane fitolitami^[6].

Minerały SiO₂

Kryształ kwarcu

Czysta krzemionka ma kilka odmian krystalicznych. Pod normalnym ciśnieniem są one trwałe w temperaturach^[1]:

• kwarc α: <573 °C
• kwarc β: 573–867 °C
• trydymit: 867–1470 °C
• krystobalit: 1470–1722 °C (temperatura topnienia)

W wysokich ciśnieniach występują ponadto odmiany krystobalit α i trydymit α.

Inne odmiany:

• opal
• chalcedon
• lechatelieryt
• keatyt
• coesyt
• stiszowit

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^[7].

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. Ditlenek krzemu ogrzewany z pierwiastkowym krzemem w próżni do temperatury 1250 °C daje tlenek krzemu (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^[7] o wysokiej czystości; charakteryzuje się bardzo niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej, w przeciwieństwie do innych szkieł nie pochłania promieniowania UV. Stosowane do wyrobu szkła laboratoryjnego i elementów optycznych
• żel krzemionkowy – kserożel uwodnionej krzemionki; stosowany jako środek suszący i faza stała w chromatografii
• aerożel krzemionkowy

Ditlenek 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 ditlenku krzemu są stosowane do wyrobów jubilerskich, a także do tworzenia przedmiotów ozdobnych, np. pucharów.

Krzemionka jest również głównym składnikiem materiałów izolacyjnych, stosowanych w budownictwie oraz przemyśle^[8].

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

Przypisy

1. ↑ ^{a b c d e f g h i j k l} David R.D.R. Lide David R.D.R. (red.), CRC Handbook of Chemistry and Physics, wyd. 90, Boca Raton: CRC Press, 2009, s. 4-88, ISBN 978-1-4200-9084-0  (ang.).
2. ↑ ^{a b c} Krzemionka (nr 637238) – karta charakterystyki produktu Sigma-Aldrich (Merck KGaA) na obszar Polski. [dostęp 2012-07-13]. (przeczytaj, jeśli nie wyświetla się prawidłowa wersja karty charakterystyki)
3. ↑ Ditlenek krzemu (nr 637238) (ang.) – karta charakterystyki produktu Sigma-Aldrich (Merck KGaA) na obszar Stanów Zjednoczonych. [dostęp 2012-07-13]. (przeczytaj, jeśli nie wyświetla się prawidłowa wersja karty charakterystyki)
4. ↑ NASA - Mars Rover Spirit Unearths Surprise Evidence of Wetter Past, www.nasa.gov [dostęp 2022-01-03]  (ang.).
5. ↑ Lloyd E. Antonides: Diatomite. [w:] Minerals Yearbook – 1997 [on-line]. U.S. Geological Survey. [dostęp 2012-02-16]. (ang.).
6. ↑ A.G. Sangster, M.J. Hodson, H.J. Tubb: Silicon deposition in higher plants. W: Silicon in Agriculture. L.E. Datnoff, G.H. Snyder, G.H. Korndörfer (redaktorzy). 2001, s. 85–113, seria: Studies in Plant Science. DOI: 10.1016/S0928-3420(01)80009-4. ISBN 978-0-444-50262-9.
7. ↑ ^{a b} Edward Józefowicz: Chemia nieorganiczna. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1962 Warszawa, s. 470.
8. ↑ Insulation system overview, www.skamol.com [dostęp 2022-09-13]  (ang.).

Linki zewnętrzne

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