Кремния диоксид

Р-римость a-кварца в воде 10^-3% по массе (25°C), аморфных форм кремнезема 0,007-0,015% (о водных р-рах SiO₂ см. Кремниевые кислоты). Р-римость кремния диоксида в кислых и щелочных средах определяется природой р-рителя. Кремния диоксид не раств. в большинстве орг. р-рителей. Реагирует с фтористоводородной к-той, образуя кремнефтористоводородную кислоту. При 250-400 °С взаимод. с газообразным HF, F₂ (давая SiF₄), при 200-250°С - с NH₄HF₂. В смеси с углем реагирует с Сl₂ при нагр., образуя SiCl₄. Аморфный кремнезем медленно раств. в водных р-рах щелочей, Na₂CO₃ (давая силикаты) и NH₄F (образуя фторосиликаты), скорость растворения увеличивается при повышении давления и т-ры. При нагр. смесей порошкообразного кремния диоксида с разл. оксидами образуются силикаты, при сплавлении с Na₂CO₃ и Na₂SO₄ - водорастворимый натрия силикат (см. также Стекло растворимое).
Распространение в природе. Содержание своб. кремния диоксида в земной коре 12%; он входит также в состав горных пород в виде разл. силикатов или в виде смесей с др. минералами (граниты). Кварц - один из наиб. распространенных минералов, намного реже встречаются тридимит, кристобалит, лсшательит (прир. кварцевое стекло), халцедоны, опалы. Мелкие, различно ориентированные кристаллы кварца образуют "жильный" кварц. При разрушении горных пород возникают кварцевые пески, уплотнение к-рых приводит к образованию песчаников и кварцитов. Hаиб. чистый кварц - горный хрусталь, кристаллы к-рого могут достигать неск. метров и весить десятки тонн. Монокристаллы кварца прозрачны, бесцветны (горный хрусталь) или окрашены примесями в фиолетовый (аметист), черный (марион), желтый (цитрин), дымчатый (раух-топаз) цвета. Разновидности скрытокристаллич. формы кварца: розово-красный сердолик, синеватый сапфирин, яблочно-зеленый хризопраз, полосчатые агаты и ониксы, тонко-окрашенная яшма, кремни и роговики. Уиикален аморфный "благородный" опал, состоящий из однородных коллоидных частиц диаметром 0,1-0,3 мкм, плотно упакованных в упорядоченные агломераты; содержание воды в нем менее 1% по массе (для большинства рядовых опалов 4-9%). Прир. месторождения кремнезема образуют также трепел, диатомит и др. Из кремнезема построены панцири диатомовых водорослей, скелеты нек-рых губок; он упрочняет стебли растений - хвощей, бамбука, тростника, содержится в соломе. Кремния диоксид ответствен за окремнение форм живых организмов растений. В крови и плазме человека концентрация кремнезема составляет 0,001% по массе.
Получение. Синтетич. кремния диоксид получают: действием к-т (H₂SO₄, HCl, СО₂) на силикат Na, реже - на др. р-римые силикаты (осн. способ произ-ва в капиталистич. странах); из коллоидного кремнезема коагуляцией под действием ионов Na⁺, NH₄, F^- или замораживанием; гидролизом SiCl₄, SiF₄, (NH₄)₂SiF₆, (C₂H₅O)₄Si в водных, водно-аммиачных р-рах (иногда с добавлением этанола или орг. оснований) и в газовой фазе. Аморфный кремния диоксид получают также из трепела и диатомита, прокаливанием рисовой шелухи, размалыванием плавленого кварцевого песка. Безводные порошки кремния диоксида с высокой уд. пов-стью получают хим. осаждением из газовой фазы путем сжигания паров SiCl₄ в смеси Н₂ и О₂ (аэросилы, в США - кабосил), окисления и гидролиза паров сложных эфиров Si (пирогенный кремнезем), а также SiF₄ (флуосил). Первично конденсируемые частицы кремния диоксида диаметром 1 нм плотно упакованы во вторичных конгломератах, объединенных в рыхлую структуру с уд. пов-стью 200-400 м²/г. Монокристаллы a-кварца выращивают из щелочных р-ров кремния диоксида в автоклавах высокого давления (35-120 МПа) при 300-420 °С (см. Гидротермальные процессы). В произ-ве используемых в технике материалов на основе кремния диоксида применяют след. процессы:
- хим. осаждение из газовой фазы при высокотемпературном сжигании SiCl₄, предварительно очищенного ректификацией. Частицы кремния диоксида, образующиеся в кислородно-водородном пламени или плазме, осаждаются давая массивные кварцевые стекла или слои заготовок волоконных световодов;
- окисление пов-сти монокристаллич. Si с образованием гетероструктур (в произ-ве интегральных схем);
- спекание мелкодисперсного кремния диоксида в кварцевую керамику (см. также Керамика);
- золь-гель процесс, включающий гидролиз орг. соед. Si, медленную дегидратацию образовавшегося геля и умеренное нагревание. Используется для получения кварцевых и высококремнеземистых стекол;
- получение особо чистого кремния диоксида и пористых стекол (типа "викор") путем термич. обработки лидирующего боросиликатного стекла, выщелачивания к-той и отмывки кремнеземистого каркаса.
Прир. кремнезем используют в произ-ве силикатных стекол, изделий из фарфора и фаянса, абразивов, бетона, силикатного кирпича, динаса, керамики. Синтетич. кремния диоксид ("белая сажа") - наполнитель в произ-ве резин (до 70% производимого кремния диоксида). Преим. используют осажденные гидратир. кремнеземы (содержащие 85-95% SiO₂) с уд. пов-стью 60-300 м²/г, в меньшей степени - безводные кремнеземы типа аэросила. Аэросил - также адсорбент в хроматографии, загуститель смазочных материалов, клеев, красок. Монокристаллы кварца применяют в радиотехнике (пьезоэлектрич. стабилизаторы частоты, фильтры, резонаторы и др.), в акустооптике и акустоэлекронике (см. Акустические материалы), в оптич. приборостроении (призмы для спектрографов, монохроматоров, линзы для УФ оптики и др.), в ювелирном деле (прозрачные, красиво окрашенные разновидности - полудрагоценные камни). Силикагели с эффективным диаметром пор 2-15 нм используют как пром. сорбенты и носители катализаторов. Синтетич. кремния диоксид и горный хрусталь являются сырьем для произ-ва монокристаллов кварца, кварцевого стекла, керамики и кварцевых волокон. Кварцевое стекло и керамика - конструкц. материал в авиац. пром-сти (напр., для обтекателей окон и иллюминаторов летательных аппаратов), в оптике (для входных окон оптич. приборов УФ и И К диапазонов), в электронике (линии задержки) и др. Кварцевая ткань -теплозащитный материал. Кварцевые волокна используют для создания волоконно-оптич. (световодных) линий связи и систем передачи информации. Произ-во синтетич. кремния диоксида в капиталистич. странах 600-700 тыс. т/год (1980). При попадании кремния диоксида в живые ткани медленно развиваются гранулемы. Кремнеземная пыль вызывает раздражение верх. дыхат. путей и бронхов, заболевание желудочно-кишечного тракта, при длит. вдыхании - тяжелое заболевание - силикоз легких. ПДК при содержании SiO₂ в пыли св. 70% - 1 мг/м³, 10-70% - 2 мг/м³, 2-10% - 4 мг/м³.
===
Исп. литература для статьи «КРЕМНИЯ ДИОКСИД»: Костов И., Минералогия, пер. с англ., М., 1971; Воронков М. Г., Зелчан Г. И., Лукевич Э. Я., Кремний и жизнь, 2 изд., М., 1978; Красильникова М. К., Лежнев Н. Н., Свойства минеральных наполнителей - белых саж и перспективы их применения в шинной промышленности, М., 1980; Айлер Р., Химия кремнезема, пер. с англ., т. 1-2, М., 1982; Speciality inorganic chemicals. The proceeding of a Symposium. Salford, 1980, ed. by R. Thompson, L, 1981. B. B. Сахаров.

Страница «КРЕМНИЯ ДИОКСИД» подготовлена по материалам химической энциклопедии.