Dwutlenek krzemu
Dwuwymiarowa prezentacja struktury krzemionki Dwuwymiarowa prezentacja struktury krzemionki
Ogólne informacje
Nomenklatura systematyczna ( IUPAC ):
ditlenek krzemu; tlenek krzemu(IV)
Inne nazwy	krzemionka
Wzór sumaryczny	SiO2
Masa molowa	60,08 g / mol
Identyfikacja
Numer CAS	7631-86-9
Właściwości Gęstość i stan skupienia 2,2 g/cm3 ; ciało stałe
Podobne związki
Podobne związki	tlenek krzemu , dwutlenek węgla , dwutlenek germanu, azotek krzemu
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą warunków standardowych (25 °C, 1000 hPa)

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:

• 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 . 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:

• 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