Діоксид кремнію — формула, властивості, застосування

Тверда земна кора практично на 87% складається з силікатів (солей кремнієвих кислот) і оксиду кремнію (формула SiO₂) — це піски, пісковики.

З’єднання цього елемента були відомі давно, проте він сам (Si) вперше був отриманий тільки в 1811 році французькими вченими Гей-Люссаком і Тенаром. З того часу елемент широко використовується в багатьох сферах.

Кисневі сполуки

Відомо 2 з’єднання силіціума з киснем: монооксид (SiO) і діоксид (SiO₂). Перший, двовалентний, є нестійким: на повітрі він повільно окислюється до чотиривалентного:

SiO + O₂ → 2SiO₂

При підвищенні температури (від 400° C до 1000°C) реакція буде протікати так:

4SiO + O₂ → 2Si₂O₃.

Si₂O₃ відноситься до нижчих кисневих сполук кремнію. Дані про нього досить обмежені – ще не так давно в середовищі хіміків існування цієї речовини оскаржувалося. Пояснювалося це не тільки труднощами його отримання, але і незвичністю основних властивостей.

За зовнішнім виглядом SiO – це порошок, темно-коричневого кольору, механічно міцний, володіє хорошими діелектричними характеристиками.

Його хімічні властивості:

• Інертний щодо кислот (крім флуоридної): SiO + HF → SiF₂ + H₂O.
• Добре розчиняється в лугах: SiO + 4NaOH → Na₄SiO₄ + H₂ + H₂O.
• Проявляє властивості відновника.

Отримують монооксид шляхом нагрівання кремнію при нестачі кисню, температура протікання реакції становить 400 °C і вище: 2Si + O₂ → 2SiO.

Двовалентний оксид в природному вигляді в природі не зустрічається. Однак в газоподібному стані він присутній в космічних пилових хмарах.

Ще один спосіб отримання – відновлення діоксиду кремнієм при високих температурах: SiO₂ + Si → 2SiO.

Монооксид кремнію використовується при виготовленні:

• волоконної оптики;
• ізоляційних матеріалів;
• напівпровідників (оптичні шари).

Друге з’єднання з киснем – діоксид кремнію (найбільш характерне і стійке). Він широко поширений в природі – присутній в складі практично всіх гірських порід.

Фізичні властивості та отримання SiO₂

Інша назва сполуки SiO₂ – кремнезем. Це тверда речовина з атомною кристалічною ґраткою (у вузлах розташовані окремі атоми, з’єднані ковалентними зв’язками). Температура плавлення – 1713 °C, кипіння – 2590 °C.

Отримання діоксиду кремнію:

• Окислення кремнію: Si + O₂ → SiO₂.
• Розкладання водою сульфіду: SiS₂ + 2H₂O → SiO₂ + 2H₂S.
• Вплив кислот на розчинні силікати: Na₂SiO₃ + 2CH₃COOH (оцтова кислота) → 2CH₃COONa + H₂SiO₃;
• 2SiO₃ → SiO₂ + H₂O.

У природі з’єднання зустрічається у вигляді:

• звичайного і кварцового піску (через домішки, що містяться в ньому, пісок може набувати різного забарвлення);
• великих прозорих кристалів гірського кришталю або фіолетового аметисту, агату, яшми;
• в мінералах тридиміт і крістобаліт (рідкісні камені).

Хімічна властивість

Діоксид кремнію – з’єднання досить інертне. За хімічними властивостями SiO₂ – ангідрид крем’яної кислоти. При нормальних умовах (кімнатна температура) він слабо реагує тільки з концентрованими лугами і флуоридною кислотою.

При нагріванні двоокис кремнію взаємодіє з плавиковою кислотою:

SiO₂ + 4HF → SiF₄ + 2H₂O

Також для діоксиду кремнію характерні наступні хімічні властивості:

• Взаємодія з лугами відбувається тільки при підвищеному тиску. В результаті реакцій утворюються силікати – з’єднання з кремнекислим радикалом: SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O; KOH + SiO₂ → K₂SiO₃ + H₂O.
• Аналогічно протікають і реакції взаємодії з карбонатами лужних металів: SiO₂ + Na₂CO₃ → Na₂SiO₃ + CO₂.
• Реагування з оксидами лужноземельних металів: SiO₂ + CaO → CaSiO₃.
• З водою кремнезем не вступає у взаємодію.
• При нагріванні до 1000 °C силіціум буде реагувати з металами, утворюючи при цьому чистий кремній: SiO₂ + 2Mg → Si + 2MgO.
• Перебіг реакцій з неметалами: SiO₂ + 2H₂ → Si + 2H₂O; SiO₂ + 3C → SiC (карборунд) + 2CO.

При реакції сплаву двоокису кремнію з фосфатом кальцію і вуглецем відбувається утворення силікату, чадного газу (CO) і виділення чистого фосфору (P):

3SiO₂ + Ca₃(PO₄)₂ + 5C → 3CaSiO₃ + 5CO + 2P

Фосфат кальцію – wt мінеральне добриво, що використовується в сільському господарстві як джерело фосфору.

Виробниче застосування стабільного оксиду кремнію

До того часу, як його властивості не були досліджені досконально, кремнезем використовувався лише для виготовлення будматеріалів (цемент, бетон).

Але в міру його подальшого вивчення сфери застосування значно розширилися:

• Великі кристали кварцу популярні в ювелірній справі — як напівкоштовні камені (наприклад, гірський кришталь, опал).
• У промисловості — авіаційна індустрія, оптика, електроніка.
• При виробництві зубної пасти — як “м’який” абразив.
• Як вогнетривка речовина в сталеливарному виробництві.
• У фармацевтичній галузі — як загусник — при виробництві мазей, суспензій, гелів.
• При виробництві отрутохімікатів (засіб для боротьби з клопами «Гектор») — порошок не отруює комах, але він виводить воду з їх організму, що призводить до подальшого зневоднення і загибелі шкідників.
• У харчовій промисловості — як стабілізатор суспензій, загусник, порошок для фільтрації (у виробництві пива, масел, натуральних соків), для запобігання злежування і грудкування сипучих продуктів (цукру, борошна, солі). Крім того, цей матеріал використовується як ентеросорбент і навіть самостійна харчова добавка (E551 — в сирах, спеціях, сухих сніданках).

Добавка E551 вважається повністю безпечною для організму людини — вона дозволена до використання не тільки в Україні і країнах колишнього СНД, але також в державах ЄС та в США.

Однак вдихання пилу діоксиду кремнію може привести до появи проблем з боку дихальної системи:

• бронхіту;
• рідше — силікозу легенів (захворювання, що знижує здатність легенів переробляти кисень);
• навіть спровокувати розвиток онкозахворювань.