Высший оксид кремния: свойства удивительного вещества

Высший оксид кремния - загадочное вещество с уникальными свойствами, которое окружает нас повсюду, но остается малоизученным. Давайте развеем мифы и выясним, что представляет собой это удивительное соединение.

1. Что такое высший оксид кремния

Высший оксид кремния - это диоксид кремния (SiO2), самая распространенная и стабильная форма соединения кремния с кислородом. Он является основным компонентом земной коры, составляя 59% ее массы.

Диоксид кремния — главный компонент почти всех земных горных пород, в частности, кизельгура. Из кремнезема и силикатов состоит 87% массы литосферы.

По химическим свойствам SiO2 относится к кислотным оксидам, образуя при взаимодействии с водой кремниевые кислоты и их соли - силикаты.

Формулы и названия

Высший оксид кремния имеет следующие тривиальные названия:

• Кремнезем
• Кварц (одна из кристаллических форм)
• Силика

Химическая формула SiO2, где:

• Si - химический элемент кремний
• О - химический элемент кислород

Иногда диоксид кремния условно называют гидроксидом кремния, так как он образует со слабыми кислотами кремниевые кислоты, аналогично обычным гидроксидам.

Отличия от низших оксидов кремния

Помимо SiO2, известны другие оксиды кремния с меньшим содержанием кислорода: оксид кремния(II) SiO и оксид кремния(III) Si2O3. Они менее стабильны и встречаются гораздо реже в природе. Например, SiO - бесцветное стеклообразное вещество, которое легко окисляется на воздухе.

2. Получение высшего оксида кремния

В зависимости от условий и исходного сырья, существует несколько методов синтеза и выделения диоксида кремния SiO2.

Синтез в лаборатории

В лаборатории высший оксид кремния можно получить окислением чистого кремния кислородом воздуха при нагревании:

Si + O2 → SiO2

Также SiO2 выпадает в осадок при взаимодействии растворимых силикатов с кислотами, даже слабыми:

Na2SiO3 + 2HCl → 2NaCl + SiO2 + H2O

Промышленные методы

В промышленных масштабах диоксид кремния производят путем выщелачивания кварцитов с использованием гидроксида натрия, с последующим осаждением кремнезема серной кислотой. Получаемый осадок кремнезема прокаливают при высоких температурах для удаления примесей.

Получение из природного и вторичного сырья

Другим источником SiO2 служит кремнеземсодержащее природное и техногенное сырье - опоки, трепела, золы сжигания рисовой шелухи, отходы цветной металлургии и др.

Например, современный экологичный способ получения высшего оксида кремния - из рисовой лузги и отходов сельскохозяйственных производств.

Таким образом, доступных источников SiO2 достаточно много, что обеспечивает его широкое применение в различных отраслях.

3. Химические свойства и реакции

Диоксид кремния проявляет свойства слабого кислотного оксида, что определяет его химические свойства.

Реакции с водородом

При нагревании с водородом SiO2 восстанавливается до элементарного кремния:

SiO2 + 2H2 → Si + 2H2O

Взаимодействие с галогенами

Газообразный фтороводород и плавиковая кислота активно реагируют с диоксидом кремния:

SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O

SiO2 + 2H2SiF6 → 2SiF4 + 2H2O + O2

Эти реакции используют для травления стекла и кремния в промышленности.

Образование силикатов и стекла

При нагревании с щелочами, основными оксидами и солями SiO2 образует силикаты - соли кремниевых кислот:

SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O

Также возможно получение алюмосиликатов, например, стекла:

Na2CO3 + CaO + 6SiO2 → Na2CaSi6O14 + CO2

4.Физические и механические свойства

Уникальные физико-химические характеристики SiO2 определяют его широкое использование в самых разных областях.

Плотность диоксида кремния составляет 2,4-2,65 г/см3. По шкале Мооса кварц имеет твердость 7, являясь одним из самых твердых минералов.

Температура плавления SiO2 - 1713°C. Диоксид кремния может быть как непрозрачным, так и оптически прозрачным, образуя кристаллы горного хрусталя и драгоценных камней.

5. Биологическая роль и токсичность

Несмотря на широкое распространение в природе, влияние SiO2 на живые организмы изучено недостаточно и имеет ряд особенностей:

• Содержание в растениях и животных. В отличие от многих металлов, кремний не является биогенным элементом, однако содержится во многих живых организмах. Например, в крови и плазме человека его концентрация составляет около 0,001% по массе.
• Токсическое действие. При попадании в дыхательные пути пыль диоксида кремния может вызвать силикоз легких. Однако в целом SiO2 значительно менее токсичен, чем многие другие неорганические вещества.

6. Применение в промышленности

Уникальные свойства высшего оксида кремния определяют его незаменимость во многих отраслях:

• Применение в металлургии. В металлургической промышленности диоксид кремния используется как огнеупорный материал для футеровки сталеплавильных печей и литейных форм.
• Применение в машиностроении. Благодаря высокой твердости, износостойкости и термостойкости, SiO2 является идеальным материалом для изготовления подшипников скольжения, поршней двигателей внутреннего сгорания, футеровок реакторов и другого оборудования, работающего в экстремальных условиях давления и температуры.
• Применение в электронике. В электронной промышленности тонкие пленки диоксида кремния используются в качестве диэлектрика в интегральных микросхемах и транзисторах.
• Применение в оптике. Благодаря высокой прозрачности в видимом и инфракрасном диапазонах, SiO2 широко применяется для изготовления линз, призм, оптоволокна и других оптических элементов.
• Применение в строительстве. Важнейшее применение диоксида кремния - производство стекла, цемента, бетона, керамики, облицовочных материалов и других строительных материалов.

7. Экологические аспекты

Несмотря на экологическую безопасность, добыча и переработка высшего оксида кремния может оказывать негативное воздействие на окружающую среду:

• Воздействие на атмосферу. При добыче кварцевого сырья и производстве диоксида кремния происходят выбросы пыли в атмосферу, что может приводить к загрязнению воздуха.
• Воздействие на гидросферу. Сброс сточных вод и шламов при обогащении кварцитов и выщелачивании силикатов загрязняет поверхностные и подземные воды.
• Нарушение ландшафтов. Карьеры по добыче кварцевого сырья значительно нарушают ландшафт, ведут к потере плодородных земель и истощению месторождений полезных ископаемых.
• Переработка и утилизация отходов. Отходы производства диоксида кремния в виде шламов и пыли можно использовать для получения строительных материалов, что снижает экологический ущерб.
• Зеленые методы получения. Перспективными экологичными методами производства SiO2 являются синтез из растительного сырья, например рисовой лузги, опилок и соломы.