Диоксид кремния

Диоксид кремния
Образец диоксида кремния
Общие
Систематическое наименование	Оксид кремния​(IV)​
Традиционные названия	Диоксид кремния; кремнезём
Внешний вид	E551 - в виде наночастиц сферической формы, размером 20–60 нм
Физические свойства
Молярная масса	60.0843 г/моль
Плотность	от 1,96 до 2,6 г/см³
Удельное электрическое сопротивление	от 10¹¹ до 10¹³ Ом·м
Термические свойства
Температура
• плавления	1600 °C
• кипения	2950 °C
Безопасность
Предельная концентрация	3 мг/м³
ЛД50	3500 мг/кг
Токсичность	токсичен в виде наночастиц (E551, аэросил), сут. доза для чел. - 1 мг/кг
Пиктограммы ECB	Шаблон:ECB
NFPA 704	0 0 0
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.

Диокси́д кре́мния (IV) (SiO2), именуемый также кремнезёмом, представляет собой химическое соединение, латинское название которого — silica. Данное вещество характеризуется отсутствием цвета в кристаллической форме, крайне низкой растворимостью в водной среде, а также значительной твёрдостью и прочностью.

Кремнезём является основным структурным элементом большинства горных пород Земли, включая кизельгур. В составе литосферы на долю диоксида кремния и силикатов приходится 87 % массы. Содержание этого соединения в крови и плазме человеческого организма достигает 0,001 % по массовому показателю.

Характеристики SiO2

• Принадлежит к категории оксидов с кислотными свойствами.
• При повышении температуры вступает в реакцию с оксидами основного характера и щелочными веществами.
• Обладает молярной массой 60,084 г/моль.
• Проявляет химическую активность при взаимодействии с плавиковой кислотой.
• Входит в группу оксидов, способных к стеклообразованию, то есть имеет тенденцию к формированию переохлаждённой расплавленной массы — стекла.
• Является диэлектриком (не проводит электрический ток в отсутствие примесей и при нормальной температуре).

Полиморфные модификации

Оксид кремния (IV) существует в нескольких полиморфных формах.

На земной поверхности наиболее часто встречается α-кварц — кристаллическая структура тригональной сингонии. При стандартных условиях SiO2 преимущественно пребывает в α-кварцевой модификации. При нагревании свыше +573 °C происходит обратимая трансформация в β-кварц. Дальнейшее повышение температуры приводит к образованию тридимита и кристобалита — полиморфных форм, стабильных при высокотемпературных режимах и низких давлениях.

Природные разновидности кремнезёма включают опал, халцедон, кварцин, лютецит и аутигенный кварц. Опал (SiO2*n*H2O) в микроскопическом срезе прозрачен, изотропен, характеризуется отрицательным рельефом. Он формируется в морских бассейнах и входит в состав многих кремнистых горных пород. Халцедон, кварцин и лютецит представляют собой скрытокристаллические вариации кварца с формулой SiO2. Они образуют волокнистые агрегаты, розетки, сферолиты различных оттенков — от бесцветных до голубоватых и желтоватых. Различаются оптическими свойствами: халцедон и кварцин имеют прямое погасание, лютецит — косое; халцедон характеризуется отрицательным удлинением.

В условиях высоких температур и давлений диоксид кремния трансформируется сначала в коэсит (синтезирован в 1953 году Лорингом Коэсом), а затем в стишовит (получен С. М. Стишовым в 1961 году, обнаружен в кратере Бэрринджера в 1962 году). Некоторые исследования предполагают, что стишовит составляет значительную часть мантии, что оставляет открытым вопрос о наиболее распространённой форме SiO2 на Земле.

Известна также аморфная модификация — кварцевое стекло.

Химическая активность

Оксид кремния (IV) SiO2 относится к кислотным оксидам и не вступает в реакцию с водой.

Данное соединение устойчиво к воздействию кислот, однако взаимодействует с газообразным фтороводородом:

SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O

а также с плавиковой кислотой:

SiO2 + 6HF → H2[SiF6] + 2H2O

Эти реакции широко применяются в процессе травления стекла.

При плавлении с щелочами, основными оксидами и карбонатами активных металлов SiO2 образует силикаты — соли слабых, нерастворимых в воде кремниевых кислот общей формулы xH2O·ySiO2, не имеющих постоянного состава.

Примеры реакций:

SiO2 + 4NaOH → Na4SiO4 + 2H2O (ортосиликат натрия)

SiO2 + CaO → CaSiO3 (метасиликат кальция)

Na2CO3 + CaCO3 + 6SiO2 → Na2CaSi6O14 + 2CO2 (смешанный силикат)

Силикат Na2CaSi6O14 (Na2O·CaO·6SiO2) используется в производстве оконного стекла.

Большинство силикатов имеет переменный состав. Водорастворимы только силикаты натрия и калия, образующие «жидкое стекло». Их растворы имеют сильнощелочную среду из-за гидролиза и образуют коллоидные системы. При подкислении выпадает студенистый осадок гидратированных кремниевых кислот.

Основной структурный элемент SiO2 и силикатов — группа [SiO4/2], где атом кремния окружен тетраэдром из четырех атомов кислорода. Силикаты классифицируются по типу связи фрагментов [SiO4/2]: островные, цепочечные, ленточные, слоистые, каркасные и другие.

При особых условиях SiO2 реагирует с водой. Окислительные свойства проявляет только с сильными восстановителями: углем, алюминием, магнием, кальцием.

Методы синтеза

Искусственный диоксид кремния получают посредством термического окисления кремния при температурах +400…+500 °C в кислородной среде. В этих условиях происходит окисление кремния до SiO2. Также применяется метод термического оксидирования при более высоких температурных режимах.

В лабораторных условиях синтез диоксида кремния осуществляется путём воздействия кислот, включая слабую уксусную, на растворимые силикаты. Пример реакции:

Na2SiO3 + 2CH3COOH → 2CH3COONa + H2SiO3 ↓

Образующаяся кремниевая кислота немедленно разлагается на воду и SiO2, выпадающий в виде осадка.

Природный диоксид кремния в форме песка находит применение в областях, не требующих высокой степени чистоты материала.

Применение диоксида кремния

Диоксид кремния находит широкое применение в различных отраслях промышленности и технологий благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам.

В пищевой промышленности аморфный непористый SiO2 используется под маркировкой E551 в качестве антислёживающего агента. Он препятствует образованию комков в сыпучих продуктах, обеспечивая их сыпучесть и стабильность при хранении.

Фармацевтическая отрасль активно применяет диоксид кремния как вспомогательное вещество. Его вносят в состав различных лекарственных форм:

• Для стабилизации суспензий и линиментов.
• В качестве загустителя мазевых основ.
• Как наполнитель таблеток и суппозиториев.
• В составе пломбировочных материалов.

SiO2 также используется для снижения гигроскопичности сухих экстрактов и замедления высвобождения активных веществ из лекарственных форм.

В строительной индустрии диоксид кремния является ключевым компонентом при производстве:

• Стекла различных типов.
• Керамических изделий.
• Бетонных конструкций.
• Кремнезёмистых огнеупоров.

Электронная промышленность широко использует свойства кристаллов кварца. Их пьезоэлектрические характеристики находят применение в:

• Радиотехнических устройствах.
• Ультразвуковых установках.
• Зажигалках.
• Изготовлении оргонитов.

Оптическая промышленность применяет чистый плавленый диоксид кремния с добавками специальных ингредиентов для производства волоконно-оптических кабелей.

В химической промышленности SiO2 используется как:

• Носитель катализаторов.
• Сорбент и фильтровальный порошок для очистки нефтепродуктов.
• Компонент для синтеза искусственных цеолитов, применяемых в процессах крекинга нефти.

Микроэлектроника использует диоксид кремния в качестве:

• Изолирующего слоя (например, подзатворного диэлектрика в полевых транзисторах).
• Защитного покрытия микросхем.

В ювелирном деле крупные прозрачные кристаллы кварца ценятся как полудрагоценные камни:

• Бесцветные — горный хрусталь.
• Фиолетовые — аметисты.
• Жёлтые — цитрин.

Таким образом, диоксид кремния, благодаря своей многофункциональности, остаётся одним из наиболее востребованных материалов в современной промышленности и технологиях.

Разновидности пористых кремнезёмов

Пористые формы диоксида кремния получают различными методами, каждый из которых придаёт материалу уникальные свойства и характеристики.

Силохром

Данный материал производится путём агрегирования аэросила — продукта сжигания силана (SiH4). Отличительные особенности силохрома:

• Высокая степень чистоты.
• Низкая механическая прочность.
• Удельная поверхность в диапазоне 60–120 м²/г.

Области применения силохрома:

• Сорбент в хроматографии.
• Наполнитель резиновых смесей.
• Компонент в каталитических процессах.

Силикагель

Этот пористый кремнезём получают посредством высушивания геля кремниевой кислоты. Характеристики силикагеля:

• Меньшая чистота по сравнению с силохромом.
• Чрезвычайно развитая поверхность: обычно от 300 м²/г до 700 м²/г.

Кремниевый аэрогель

Уникальный материал, состоящий приблизительно на 99,8 % из воздуха. Отличительные свойства:

• Крайне низкая плотность — до 1,9 кг/м³.
• Плотность лишь в 1,5 раза превышает плотность воздуха.

Диоксид кремния из биомассы

Современный экологичный метод получения SiO2 использует в качестве сырья:

• Рисовую лузгу.
• Отходы сельскохозяйственных производств.

Этот способ позволяет утилизировать растительные отходы, превращая их в ценное сырьё для промышленности.

Каждый тип пористого кремнезёма обладает своими уникальными характеристиками, что определяет его специфические области применения в различных отраслях промышленности и технологий.

Токсикологические аспекты диоксида кремния: детальный обзор

Наночастицы диоксида кремния

Уникальные свойства наночастиц SiO2 вызывают обеспокоенность с точки зрения их потенциальной токсичности. Эти частицы способны проникать через биологические барьеры, включая гематоэнцефалический, и клеточные мембраны. Они имеют тенденцию к накоплению в различных органах и тканях, что затрудняет их выведение из организма. Высокая химическая и каталитическая активность наночастиц, обусловленная большой удельной поверхностью, может приводить к нежелательным биохимическим реакциям в организме.

Регулирование и контроль

Согласно ТР ТС 021/2011, продукция с наночастицами классифицируется как «продукция нового вида» и подлежит обязательной государственной регистрации. К 2018 году в России и Таможенном союзе зарегистрировано около 60 видов такой продукции. Однако существует значительный пробел в регулировании: размер частиц SiO2 не контролируется ни российской, ни международной нормативной базой, что может приводить к недооценке масштабов использования наночастиц в пищевой промышленности.

Применение в пищевой промышленности

Е551 (диоксид кремния) широко используется как антислеживающий агент и носитель. ТР ТС 029/2012 устанавливает допустимые уровни его содержания в различных продуктах: от 10 до 50 г/кг в зависимости от типа продукта. Е551 разрешен к использованию даже в детском питании. Особого внимания заслуживает высокодисперсный пирогенный SiO2 («Аэросил») с удельной площадью поверхности 300–380 м²/г и размером частиц 20–60 нм.

Токсикологические исследования

Эксперименты на лабораторных животных показали, что наночастицы SiO2 биодоступны при поступлении в желудочно-кишечный тракт. При дозе 100 мг/кг массы тела наблюдались негативные эффекты на иммунную систему, включая лейкопению, изменение соотношения Т-хелперов и цитотоксических лимфоцитов, а также дисбаланс цитокинов. Основной мишенью воздействия является слизистая оболочка тонкой кишки, где наблюдается массивная лимфомакрофагальная и эозинофильная инфильтрация.

На основе этих исследований предложена допустимая суточная доза наночастиц SiO2 с пищей — не более 1 мг/кг массы тела, с учетом двух 10-кратных коэффициентов запаса при переносе данных с животных на человека.

Кристаллический диоксид кремния

Кристаллическая форма SiO2 при попадании в ткани организма вызывает образование и развитие гранулем. Вдыхание пыли раздражает дыхательные пути и может вызвать заболевания пищевого тракта. Длительное воздействие пыли кристаллического SiO2 может привести к силикозу лёгких.

Ранее диоксид кремния считался малотоксичным веществом с ПДК в рабочей зоне 3 мг/м³ и ЛД50 на крысах 3 500 мг/кг. Однако современные исследования наночастиц требуют пересмотра этих оценок.

Аморфная форма SiO2 традиционно считается безвредной, но требуются дополнительные исследования для подтверждения этого в отношении наноразмерных частиц.