Ditlenek krzemu, dwutlenek krzemu (krzemionka), SiO2 –
nieorganiczny
związek chemiczny
,
tlenek
krzemu
na IV
stopniu utlenienia
.
Zwykle jest krystalicznym ciałem stałym o dużej twardości. Występuje powszechnie na Ziemi jako
minerał
kwarc
, jest składnikiem wielu skał,
piasek
, tworzy
kamienie półszlachetne
. Wchodzi w skład wielu
minerałów
.
Struktura
Wzór empiryczny
dwutlenku krzemu (SiO2) nie oddaje dobrze jego faktycznej struktury w stanie stałym. W rzeczywistości tworzy ona 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 – który w temperaturze 846 K przechodzi w
- kwarc β – który w temperaturze 1143 K przechodzi w
-
trydymit
β – który w temperaturze 1743 K przechodzi w
-
krystobalit
β – który w temperaturze 1983 K ulega stopieniu.
W wysokich ciśnieniach występują ponadto odmiany: krystobalit α i trydymid α. Inne odmiany:
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
. Ditlenek krzemu ogrzewany do 1250 °C z krzemem w próżni 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:
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