Dióxido de silicio

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Dióxido de silicio

Dióxido de silicio puro
Identificadores
Número del CAS 7631-86-9 Sí Y
PubChem 24261
Propiedades físicas 22683 Sí Y
UNII ETJ7Z6XBU4 Sí Y
Número CE 231-545-4
KEGG C16459 N
MeSH Silicio + dióxido de
ChEBI CHEBI: 30563 Sí Y
RTECS número VV7565000
Gmelin Referencia 200274
Jmol -imágenes 3D Imagen 1
Propiedades
Fórmula molecular SiO 2
Masa molar 60,08 g / mol
Apariencia Cristales transparentes
Densidad 2,648 g · cm -3
Punto de fusión

1600-1725 ° C, K 1873-1998, 2912-3137 ° F

Punto de ebullición

2230 ° C, 2503 K, 4046 ° F

Los compuestos relacionados
Dionas relacionados Dióxido de carbono

Dióxido de germanio
Dióxido de plomo
Dióxido de estaño

Los compuestos relacionados Monóxido de silicio

Silicio sulfuro

Termoquímica
Std entalpía de
formación
Δ f H o 298
-911 KJ · mol -1 [1]
Estándar molar
entropía
S o 298
42 J · mol -1 · K -1 [1]
N (verificar) (lo que es: Sí Y / N?)
Excepto donde se indique lo contrario, los datos se den materiales en su estado estándar (a 25 ° C, 100 kPa)
Referencias de Infobox

Dióxido de silicio, también conocido como sílice (de la América sílex ), es un compuesto químico que es un óxido de silicio con la fórmula química de Si O 2. Se ha conocido por su dureza desde tiempos antiguos. La sílice se encuentra más comúnmente en la naturaleza como arena o cuarzo , así como en las paredes celulares de las diatomeas . [2]

La sílice se fabrica en varias formas, incluyendo cuarzo fundido , cristal , sílice de pirólisis (o sílice pirogénica), sílice coloidal , gel de sílice , y aerogel .

La sílice se utiliza principalmente en la producción de vidrio para las ventanas, vasos, botellas de bebidas, y muchos otros usos. La mayoría de las fibras ópticas para telecomunicaciones también están hechos de sílice. Es una materia prima principal para la cerámica loza muchos como loza , gres , porcelana , así como industrial cemento Portland .

La sílice es un aditivo común en la producción de alimentos, donde se usa principalmente como un agente de flujo en alimentos en polvo, o para absorber el agua en higroscópicas aplicaciones. Es el componente principal de tierra de diatomeas , el cual tiene muchos usos van desde la filtración para el control de insectos. También es el principal componente de la ceniza de cascarilla de arroz , que se utiliza, por ejemplo, en la filtración y la fabricación de cemento.

Las películas delgadas de sílice cultivadas en obleas de silicio a través de oxidación térmica métodos pueden ser bastante beneficioso en microelectrónica , donde actúan como aislantes eléctricos con alta estabilidad química. En las aplicaciones eléctricas, se puede proteger el silicio, encargado tienda, bloque actual, e incluso actuar como una vía de control para limitar el flujo de corriente. [3]

Un aerogel a base de sílice se utilizó en la nave espacial Stardust para recoger partículas extraterrestres. La sílice también se usa en la extracción de ADN y ARN , debido a su capacidad para unirse a los ácidos nucleicos en presencia de caotropos . Como sílice hidrófoba se usa como un componente antiespumante . En forma hidratada , se utiliza en pasta de dientes como un abrasivo duro para eliminar la placa dental.

En su calidad de un producto refractario, es útil en forma de fibra como un tejido de protección térmica a alta temperatura. En cosmética, es útil por sus propiedades de difusión de luz y la absorbencia natural. coloidal de sílice se utiliza como un vino y zumo de agente clarificante . En los productos farmacéuticos, la sílice ayuda a flujo de polvo cuando las tabletas se forman. También se utiliza como un compuesto de mejora térmica en tierra de la fuente de bomba de calor de la industria.

Contenido

[ editar ] Estructura cristalina

Coordinación tetraédrica de sílice (SiO 2), el bloque de construcción básico de la copa más antigua ideal.

En la mayoría de los silicatos , el átomo de Si muestra coordinación tetraédrica, con 4 átomos de oxígeno que rodean a un átomo central de Si. El ejemplo más común es visto en la forma cristalina de cuarzo de sílice SiO 2. En cada uno de los más termodinámicamente estables de formas cristalinas de sílice, en promedio, todos los 4 de los vértices (o átomos de oxígeno) de la SiO 4 tetraedros se comparten con otros, dando la fórmula química neta: SiO 2.

La estructura amorfa vítrea de sílice (SiO 2) en dos dimensiones. No orden de largo alcance está presente, sin embargo existe ordenamiento local con respecto a la tetraédrica disposición de oxígeno (O) alrededor de los átomos de silicio (Si) átomos. Tenga en cuenta que un átomo de oxígeno cuarto está unido a cada átomo de silicio, o bien por detrás del plano de la pantalla o delante de ella; estos átomos se han omitido para mayor claridad.
Relación entre el índice de refracción y la densidad de algunas formas de SiO 2. [4]

Por ejemplo, en la celda unidad de α-cuarzo, las acciones centrales tetraedro todas sus esquinas 4 de átomos de O, el 2 de cara centrada cuota de tetraedros 2 de sus esquinas átomos de O, y el borde 4-centrado cuota de tetraedros de sólo uno de sus átomos de O con otro SiO 4 tetraedros. Esto deja un neto promedio de 12 de los 24 vértices totales para la parte de la 7 SiO 4 tetraedros que son considerados para ser una parte de la célula de unidad de sílice ( ver 3-D celda unidad ).

SiO 2 tiene un número de diferentes formas cristalinas ( polimorfos ), además de las formas amorfas. Con la excepción de stishovite sílice y fibroso, todas las formas cristalinas implicar tetraédricas de SiO 4 unidades unidas entre sí por vértices compartidos en diferentes disposiciones. Silicio-oxígeno longitudes de enlace variar entre las diferentes formas cristalinas, por ejemplo en α-cuarzo la longitud del enlace es de 161 pm, mientras que en α-tridimita es en el rango de 154-171 horas. El ángulo de Si-O-Si también varía entre un valor bajo de 140 ° en α-tridimita, hasta 180 ° en β-tridimita. En α-cuarzo el ángulo de Si-O-Si es 144 °. [5]

Sílice fibroso tiene una estructura similar a la de SiS 2 con cadenas de borde de intercambio de SiO 4 tetraedros. Stishovite, la forma de presión más alta, en contraste tiene una rutilo como estructura donde el silicio es 6 de coordenadas. La densidad de stishovite es 4,287 g / cm 3, que se compara con α-cuarzo, la más densa de las formas de baja presión, que tiene una densidad de 2,648 g / cm 3. [6] La diferencia de densidad se puede atribuir al aumento en coordinación como los más cortos seis longitudes de enlace Si-O en stishovite (Si-O cuatro longitudes de enlace de 176 pm y otros dos de 181 horas) es mayor que la longitud del enlace Si-O (161 horas) en α-cuarzo. [7 ] El cambio en la coordinación aumenta la ionicidad del enlace Si-O. [8] Pero más importante es la observación de que cualquier desviación de estos parámetros estándar constituyen diferencias o variaciones microestructurales, que representan una aproximación a un amorfo sólido, vítreo o cristalino .

Tenga en cuenta que la única forma estable en condiciones normales es α-cuarzo y esta es la forma en la que normalmente se encuentran el dióxido de silicio cristalino. En impurezas naturales en α-cuarzo cristalino puede dar lugar a colores (ver lista).

Observe también que ambos minerales de alta temperatura, cristobalita y tridimita, tienen tanto una menor densidad y el índice de refracción que el cuarzo. Puesto que la composición es idéntica, la razón de las discrepancias debe estar en el espaciamiento mayor en los minerales de alta temperatura. Como es común con muchas sustancias, la mayor es la temperatura la más separados estén los átomos debido al aumento de la energía de vibración.

Los minerales de alta presión, seifertite , stishovite , y coesita , por otra parte, tienen una mayor densidad y el índice de refracción en comparación con cuarzo. Esto es probablemente debido a la intensa compresión de los átomos que tienen que ocurrir durante su formación, dando lugar a una estructura más condensada.

Sílice Faujasita es otra forma de sílice cristalina. Se obtiene por desaluminación de un bajo contenido de sodio, ultra-estable zeolita Y con una combinación de ácido y el tratamiento térmico. El producto resultante contiene más del 99% de sílice, tiene alta cristalinidad y un área superficial alta (más de 800 m 2 / g). Faujasita sílice tiene estabilidad térmica y muy alto de ácido. Por ejemplo, se mantiene un alto grado de orden de largo alcance molecular (o de cristalinidad) incluso después de hervir en ácido clorhídrico concentrado. [9]

Sílice fundida exhibe varias características peculiares físicas que son similares a las observadas en líquido agua :. de expansión de temperatura negativo, de densidad máxima (a temperaturas de ~ 5000 ° C), y un mínimo de capacidad de calor [10] su densidad disminuye a partir de 2,08 g / cm 3 a 1950 ° C a 2,03 g / cm 3 a 2200 ° C. [11] Cuando molecular de monóxido de silicio , SiO, se condensa en una matriz de argón enfriado con helio junto con átomos de oxígeno generados por la descarga de microondas , molecular SiO 2 se produce con una estructura lineal. Dióxido de silicio dimérica, (SiO 2) 2 ha sido preparado por reacción de O 2 con matriz dimérica aislada monóxido de silicio, (Si 2 O 2). En dióxido de silicio dimérica hay dos átomos de oxígeno puente entre los átomos de silicio con un ángulo de Si-O-Si de 94 º y la longitud de enlace de 164,6 pm y el terminal de Si-O longitud de enlace es 150,2 pm. La longitud del enlace Si-O es 148,3 pm, que se compara con la duración de 161 horas, en la α-cuarzo. La energía de enlace se estima en 621,7 kJ / mol. [12]

Las formas cristalinas de SiO 2 [5]
Formulario Crystal simetría
Pearson símbolo , grupo N
ρ
g / cm 3
Notas Estructura
α-cuarzo romboédrica (trigonal)
HP9, P3 1 21 No.152 [13]
2,648 Cadenas helicoidales de toma de monocristales individuales ópticamente activo, α-cuarzo conversos al β-cuarzo a 846 K A-quartz.png
β-cuarzo hexagonal
HP18, P6 2 22, N º 180 [14]
2,533 estrechamente relacionado con α-cuarzo (con un ángulo de Si-O-Si de 155 °) y ópticamente activa; β-cuarzo convertidos a β-tridimita a 1140 K B-quartz.png
α-tridimita ortorrómbica
oS24, C222 1, N º 20 [15]
2,265 forma metaestable bajo presión normal A-tridymite.png
β-tridimita hexagonal
HP12, P6 3 / mmc, N º 194 [15]
estrechamente relacionada con la α-tridimita, β-tridimita se convierte en β-cristobalita a 2010 K B-tridymite.png
α-cristobalita tetragonal
TP12, P4 1 2 1 2, N º 92 [16]
2,334 forma metaestable bajo presión normal A-cristobalite.png
β-cristobalita cúbico
cF104, Fd 3 m, No.227 [17]
estrechamente relacionado con α-cristobalita; funde a 1978 K B-cristobalite.png
faujasita cúbico
cF576, Fd 3 m, No.227 [18]
1,92 sodalita jaulas conectadas por prismas hexagonales; 12-miembros que la apertura del poro de anillo;. estructura de faujasita [9] Faujasita structure.svg
melanophlogite cúbico (Cp *, P4 2 32, No.208) [4] o tetragonal (P4 2 / NBC) [19] 2,04 Si 5 O 10, O SI 6 12 anillos; mineral encontrado siempre con hidrocarburos en los espacios intersticiales, un clathrasil [20] MelanophlogiteStucture.png
keatite tetragonal
tP36, P4 1 2 1 2, N º 92 [21]
3,011 Si 5 O 10, O 14 Si 4, ​​Si 8 O 16 anillos, sintetizado a partir de sílice cristalina y álcali a 600-900K y 40-400 MPa Keatite.png
moganite monoclínica
MS46, C2 / c, N º 15 [22]
Si 4 O 8 y Si 6 O 12 anillos Moganite.png
coesita monoclínica
mS48, C2 / c, N º 15 [23]
2,911 Si 4 O 8 y SI 8 juntas tóricas 16, 900 K y 3-3.5 GPa Coesite.png
stishovite Tetragonal
TP6, P4 2 / mnm, No.136 [24]
4,287 Una de las más densas (junto con seifertite) polimorfos de sílice, rutilo como-con 6-fold coordinada Si 7.5-8.5 GPa; Stishovite.png
fibroso ortorrómbica
oI12, Ibam, No.72 [25]
1,97 como SiS 2 que consiste en cadenas de distribución de última generación, se funde a 1700 K ~ SiS2typeSilica.png
seifertite ortorrómbica
oP, Pbcn [26]
4,294 Uno de los más densos (junto con stishovite) polimorfos de sílice; se produce a presiones superiores a 40 GPa. [27] SeifertiteStructure.png

[ edit ] Cuarzo cristal

Cuando el dióxido de silicio SiO 2 se enfría con rapidez suficiente, no cristaliza sino que solidifica en forma de un vidrio. La transición vítrea temperatura de puro SiO 2 es alrededor de 1475 K. [28] Como la mayoría de las cristalinas polimorfas la estructura local atómica en cristal de silicio puro es tetraedros regulares de átomos de oxígeno alrededor de los átomos de silicio. La diferencia entre el vidrio y los cristales se plantea en la conectividad de estas unidades tetraédricas. SiO 2 vaso consiste en una red que no se repite de tetraedros, en todos los rincones de oxígeno conectar dos tetraedros vecinos. Aunque no existe una periodicidad de largo alcance en la red cristalina permanece orden significativo a escalas de longitud mucho más allá de la longitud del enlace SiO. Un ejemplo de esta ordenación se encuentra en la preferencia de la red para formar anillos de 6-tetraedros. [29]

[ editar ] Química

Fabricado humo de sílice en superficie máxima de 380 m 2 / g

El dióxido de silicio se forma cuando el silicio se expone al oxígeno (o aire). Una capa muy superficial (aproximadamente 1 nm o 10 Å ) de la llamada de óxido nativo se forma en la superficie de silicio cuando se expone al aire en condiciones ambientales. Las temperaturas más altas y entornos alternativos se utilizan para crecer bien controlados capas de dióxido de silicio sobre silicio, por ejemplo a temperaturas entre 600 y 1200 ° C, utilizando la llamada oxidación seco o en húmedo con O 2 o H 2 O, respectivamente. [30 ] La profundidad de la capa de silicio sustituido por el dióxido es 44% de la profundidad de la capa de dióxido de silicio producido. [30]

Los métodos alternativos utilizados para depositar una capa de SiO 2 incluyen [31]

  • Oxidación a baja temperatura (400-450 ° C) de silano
SiH 4 + 2 O 2 → SiO 2 + 2 H 2 O.
Si (OC 2 H 5) 4 → SiO 2 + 2 H 2 O + 4 C 2 H 4.
  • Intensificado por plasma deposición química de vapor utilizando TEOS a aproximadamente 400 ° C
Si (OC 2 H 5) 4 + 12 O 2 → SiO 2 + 10 H 2 O + 8 CO 2.
  • Polimerización de ortosilicato de tetraetilo (TEOS) por debajo de 100 ° C utilizando ácido amino como catalizador. [32]

Sílice pirogénica (a veces llamado sílice ahumada o humo de sílice), que es una forma de partículas muy fino de dióxido de silicio, se prepara por la quema de SiCl 4 en una llama de oxígeno de hidrocarburos rica para producir un "humo" de SiO 2: [6]

SiCl 4 + 2 H 2 + O 2 → SiO 2 + 4 HCl.

La sílice amorfa, gel de sílice, se produce por la acidificación de soluciones de silicato de sodio para producir un precipitado gelatinoso que se lava y luego se deshidrata para producir sílice microporosa incoloro. [6]

La solubilidad del dióxido de silicio en agua depende fuertemente de su forma cristalina y es 3-4 veces mayor para la sílice de cuarzo, como una función de la temperatura, lo picos a aproximadamente 340 ° C. [33] Esta propiedad se utiliza para hacer crecer cristales individuales de cuarzo en un procedimiento hidrotérmico en el que se disuelve el cuarzo natural en agua sobrecalentado en un recipiente a presión que es más frío en la parte superior. Los cristales de 0.5-1 kg que se puede cultivar durante un período de 1-2 meses. [5] Estos cristales son una fuente de cuarzo de alta pureza para uso en aplicaciones electrónicas. [6]

El flúor reacciona con el dióxido de silicio para formar SiF 4 y O 2, mientras que los otros gases de halógeno (Cl 2, Br 2, I 2) reaccionan mucho menos fácilmente. [6]

El dióxido de silicio es atacado por ácido fluorhídrico (HF) para producir ácido hexafluorosilícico : [5]

SiO 2 + 6 HF → H 2 SiF 6 + 2 H 2 O.

HF se utiliza para eliminar el dióxido de silicio o patrón en la industria de los semiconductores.

Dióxido de silicio se disuelve en caliente concentrada de hidróxido alcalino o fusionado: [6]

SiO 2 + 2 NaOH → Na 2 SiO 3 + H 2 O.

El dióxido de silicio reacciona con los óxidos metálicos básicos (por ejemplo, óxido de sodio , óxido de potasio , óxido de plomo (II) , óxido de zinc , o mezclas de óxidos que forman silicatos y vidrios como los enlaces Si-O-Si en sílice se rompen sucesivamente). [5] Como un ejemplo de la reacción de óxido de sodio y SiO 2 se puede producir de sodio ortosilicato de sodio, silicato, y los vidrios, depende de las proporciones de reactivos: [6]

2 Na 2 O + Na SiO 24 SiO 4;
Na 2 O + SiO 2 → Na 2 SiO 3;
(Desde 0.25 hasta 0.8) Na 2 O + SiO 2 → vidrio.

Ejemplos de estos cristales tienen importancia comercial por ejemplo, la cal sodada vidrio , vidrio borosilicato , vidrio de plomo . En estos vidrios, la sílice se denomina la red anterior o anteriores celosía. [5]

Paquete de fibras ópticas compuestas de sílice de alta pureza.

Con silicio a temperaturas elevadas SiO gaseoso se produce: [5]

SiO 2 + → 2 SiO Si (gas).

[ editar ] Usos

El dióxido de silicio se utiliza para producir elemental de silicio . El proceso implica la reducción a alta temperatura con elemental de carbono en un horno de arco eléctrico : [34]

SiO 2 (s) + 2 C (s) → Si (s) + 2 CO (g)

[ edit ] Biomateriales

Silicificación en y por las células ha sido común en el mundo biológico durante más de mil millones de años. En el mundo moderno se produce en bacterias, organismos unicelulares, plantas, y animales (invertebrados y vertebrados). Ejemplos destacados incluyen:

Minerales cristalinos formados en el entorno fisiológico a menudo muestran excepcionales propiedades físicas (por ejemplo, resistencia, dureza, tenacidad a la fractura) y tienden a formar estructuras jerárquicas que exhiben orden microestructural en una gama de escalas. Los minerales se cristalizó en un ambiente que está infrasaturada con respecto al silicio, y bajo condiciones de pH neutro y baja temperatura (0-40 ° C).

Formación del mineral se puede producir ya sea dentro de la pared celular de un organismo (tal como con los fitolitos), o fuera de la pared celular, como ocurre normalmente con las pruebas. Las reacciones bioquímicas específicas existen para la deposición de minerales. Tales reacciones incluyen los que implican lípidos, proteínas y carbohidratos.

No está claro en qué sílice maneras es importante en la nutrición de los metazoos . Este es un desafiante campo de la investigación, porque la sílice es ubicuo en el medio ambiente y en la mayoría de circunstancias se disuelve en cantidades traza solamente. Todo el mismo que sí se producen en el cuerpo vivo, lo que nos deja con el problema de que es difícil de crear adecuados libres de sílice controles para fines de investigación. Esto hace que sea difícil estar seguro de que la sílice presente ha tenido efectos beneficiosos operativas, y cuando su presencia es meramente casual, o incluso perjudicial. El consenso actual es que parece ciertamente importante en el crecimiento, la fuerza, y la gestión de muchos tejidos conectivos. Esto es cierto no sólo para los tejidos conectivos duros como los huesos y los dientes. [35]

[ editar ] Efectos de Salud

Arena de cuarzo (sílice) como materia prima principal para la producción de vidrio comercial

La inhalación de polvo de sílice cristalino finamente dividido en cantidades muy pequeñas (OSHA permite 0,1 mg / m 3) con el tiempo puede conducir a la silicosis , bronquitis o cáncer , ya que el polvo se aloja en los pulmones y los irrita continuamente, lo que reduce la capacidad pulmonar. [36 ] (En las partículas de sílice cuerpo cristalino no se disuelven durante periodos de tiempo clínicamente relevantes.) cristales de sílice puede activar el inflamasoma NLRP3 interior de los macrófagos y las células dendríticas y dar como resultado el procesamiento de pro-interleuquina 1 beta en su forma madura. La exposición crónica a la sílice con ello puede dar cuenta de algunos de los peligros para la salud, como la interleucina-1 es una citoquina pro-inflamatoria altamente en el sistema inmune. [37] [38] [39] Este efecto se puede crear un riesgo laboral para las personas que trabajan con arenado equipos, productos que contienen sílice cristalina en polvo y así sucesivamente. Los niños, los asmáticos de todas las edades, las personas alérgicas, y los ancianos (todos los cuales han reducido la capacidad pulmonar) puede ser afectado en mucho menos tiempo. La sílice amorfa, tal como sílice de pirólisis no está asociado con el desarrollo de la silicosis, pero puede causar daño pulmonar irreversible en algunos casos. [40] Las leyes que limitan la exposición de sílice con respecto al peligro de silicosis especificar que se trate sólo con sílice que es a la vez cristalino y polvo formando.

Materiales de plantas con alto contenido de sílice fitolitos, parecen ser de importancia para los animales de pastoreo, los insectos de masticar a ungulados. Los estudios han demostrado que acelera el desgaste de diente, y altos niveles de sílice en las plantas frecuentemente consumidos por los herbívoros pueden haber desarrollado como un mecanismo de defensa contra la depredación. [41] [42]

Un estudio que siguió a los sujetos durante 15 años se ha encontrado que mayores niveles de sílice en el agua parecía reducir el riesgo de demencia . El estudio encontró una asociación entre un aumento de 10 miligramos por día de la ingesta de sílice en el agua potable con un menor riesgo de demencia del 11%. [43]

[ editar ] Véase también

[ editar ] Referencias

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