二氧化硅

 

二氧化硅廣泛存在于自然界中，與其他礦物共同構成了巖石。天然二氧化硅稱為硅石，約占地殼質量的12%，其存在形式有結晶態和無定形態兩種。石英晶體是結晶的二氧化硅，具有不同的晶型和色彩。石英中無色透明的晶體是通常所說的水晶。具有彩色環帶狀或層狀的稱為瑪瑙（含有雜質）。

二氧化硅礦物是指化學式相同(SiO?)，但結構有差異的礦物，這些礦物統稱為類質異像體，主要包括石英、方石英和鱗石英。這些礦物在地球上主要存于花崗巖、砂巖和黑硅巖中，而月球上幾乎缺乏，主要原因是：化學成分演化上，月球形成一個低硅、高鋁的月殼，高硅的花崗質巖石極為稀少；月球在演化上缺乏像地球一樣有一個可以結晶出二氧化硅礦物的水系和熱水體系。盡管二氧化硅礦物在月球巖石上極為稀少，但對月球巖石的分類和成因的研究具有重要的作用。

月球上的石英礦物最早是在幾塊類花崗巖碎處中發現的，在霏細巖中同時也充填了不少方石英礦物，從其微細結構和成分的分析表明，這些石英實際上是由方石英變化過來的。后來在粗晶狀的月球花崗巖碎塊中也發現有石英礦物，根據其同位素的分析結果，這些礦物是41億年左右，在較深的環境下結晶形成的，說明這些石英不是在巖漿巖形成期間結晶形成的。

月海武巖中的二氧化硅礦物絕大多數是方石英，體積百分數最多可達5%，幾乎沒有石英礦物，只有在細晶狀月海玄武巖中才存在少量的石英礦物，這些方石英具有典型的雙晶結構表明：在熔漿冷卻過程中，從高溫到低溫條件下形成的方石英都有。另外，在一些粗晶狀的月海玄武巖中也同時存在方石英和鱗石英，但從結構特征看，方石英是由鱗石英轉變的，因為鱗石英一般是鑲嵌在于不規則的顆粒之間。

二氧化硅又稱硅石，化學式SiO?。自然界中存在有結晶二氧化硅和無定形二氧化硅兩種。
結晶二氧化硅因晶體結構不同，分為石英、鱗石英和方石英三種。純石英為無色晶體，大而透明棱柱狀的石英叫水晶。若含有微量雜質的水晶帶有不同顏色，有紫水晶、茶晶等。普通的砂是細小的石英晶體，有黃砂（較多的鐵雜質）和白砂（雜質少、較純凈）。二氧化硅晶體中，硅原子的4個價電子與4個氧原子形成4個共價鍵，硅原子位于正四面體的中心，4個氧原子位于正四面體的4個頂角上，SiO?是表示組成的最簡式，僅是表示二氧化硅晶體中硅和氧的原子個數之比。二氧化硅是原子晶體。

自然界存在的硅藻土是無定形二氧化硅，是低等水生植物硅藻的遺體，為白色固體或粉末狀，多孔、質輕、松軟的固體，吸附性強。

不溶于水。

化學性質比較穩定。不跟水反應。是酸性氧化物，不跟一般酸反應。氣態氟化氫跟二氧化硅反應生成氣態四氟化硅。跟熱的濃強堿溶液或熔化的堿反應生成硅酸鹽和水。跟多種金屬氧化物在高溫下反應生成硅酸鹽。用于制造石英玻璃、光學儀器、化學器皿、普通玻璃、耐火材料、光導纖維，陶瓷等。二氧化硅的性質不活潑，它不與除氟、氟化氫以外的鹵素、鹵化氫以及硫酸、硝酸、高氯酸作用（熱濃磷酸除外）。

常見的濃磷酸（或者說焦磷酸）在高溫下即可腐蝕二氧化硅，生成雜多酸 ，高溫下熔融硼酸鹽或者硼酐亦可腐蝕二氧化硅，鑒于此性質，硼酸鹽可以用于陶瓷燒制中的助熔劑，除此之外氟化氫也可以可使二氧化硅溶解的酸，生成易溶于水的氟硅酸： 6HF+SiO2=H2SiF6+2H2O

二氧化硅一般情況下不與水反應，即與水接觸不生成硅酸，但人為規定二氧化硅為硅酸的酸酐。

在大多數微電子工藝感興趣的溫度范圍內，二氧化硅的結晶率低到可以被忽略。
盡管熔融石英不是長范圍有序，但它卻表現出短的有序結構，它的結構可認為是4個氧原子位于四面體的頂點上。多面體中心是一個硅原子。

這樣，每4個氧原子近似共價鍵合到硅原子，滿足了硅的化合價外殼。如果每個氧原子是兩個多面體的一部分，則氧的化合價也被滿足，結果就成了稱為石英的規則的晶體結構。

在熔融石英中，某些氧原子，成為氧橋位，與兩個硅原子鍵合。某些氧原子沒有氧橋，只和一個硅原子鍵合。

可以認為熱生長二氧化硅主要是由任意方向的多面體網絡組成的。與無氧橋位相比，有氧橋的部分越大，氧化層的粘合力就越大，而且受損傷的傾向也越小。干氧氧化層的有氧橋與無氧橋的比率遠大于濕氧氧化層。

二氧化硅用于制造平板玻璃，玻璃制品，鑄造砂，玻璃纖維，陶瓷彩釉，防銹用噴砂，過濾用砂，熔劑，耐火材料以及制造輕量氣泡混凝土。 二氧化硅的用途很廣。自然界里比較稀少的水晶可用以制造電子工業的重要 部件、光學儀器和工藝品。 二氧化硅是制造光導纖維的重要原料。 一般較純凈的石英，可用來制造石英玻璃。石英玻璃膨脹系數很小，相當于 普通玻璃的1/18，能經受溫度的劇變，耐酸性能好（除HF外），因此，石英玻璃 常用來制造耐高溫的化學儀器。 石英砂常用作玻璃原料和建筑材料。

二氧化硅是制造玻璃、石英玻璃、水玻璃、光導纖維、電子工業的重要部件、光學儀器、工藝品和耐火材料的原料，是科學研究的重要材料。

當二氧化硅結晶完美時就是水晶；二氧化硅膠化脫水后就是瑪瑙；二氧化硅含水的膠體凝固后就成為蛋白石；二氧化硅晶粒小于幾微米時，就組成玉髓、燧石、次生石英巖。物理性質和化學性質均十分穩定的礦產資源，晶體屬三方晶系的氧化物礦物，即低溫石英（α-石英），是石英族礦物中分布最廣的一個礦物種。廣義的石英還包括高溫石英（β-石英）。石英塊又名硅石，主要是生產石英砂(又稱硅砂)的原料，也是石英耐火材料和燒制硅鐵的原料。

食品工業用作抗結劑、消泡劑、增稠劑、助濾劑、澄清劑。我國《食品添加劑使用衛生標準》(GB2760-2011)規定：可用于蛋粉、糖粉、奶粉、可可粉、可可脂、植物性粉末、速溶咖啡、湯料粉等，最大使用量為15g/kg，粉末香精，最大使用量為80g/kg；固體飲料，最大使用量為0.2g/kg；糧食，1.2g/kg。

玻璃

二氧化硅

平板玻璃、浮法玻璃、玻璃制品（玻璃罐、玻璃瓶、玻璃管等）、光學玻璃、玻璃纖維、玻璃儀器、導電玻璃、玻璃布及防射線特種玻璃等的主要原料

陶瓷及耐火材料

瓷器的胚料和釉料，窯爐用高硅磚、普通硅磚以及碳化硅等的原料

冶金

硅金屬、硅鐵合金和硅鋁合金等的原料或添加劑、熔劑

建筑

混凝土、膠凝材料、筑路材料、人造大理石、水泥物理性能檢驗材料（即水泥標準砂）等

化工

硅化合物和水玻璃等的原料，硫酸塔的填充物，無定形二氧化硅微粉

機械

鑄造型砂的主要原料，研磨材料（噴砂、硬研磨紙、砂紙、砂布等）

電子

高純度單晶硅（非金屬）、通訊用光纖等

橡膠、塑料

填料（可提高耐磨性）

涂料

填料（可提高涂料的耐候性）

醫學

新加坡國立大學工程學院生物工程系的研究人員研制出一種新技術，能夠通過二氧化硅納米粒子將紅外光轉化為紫外光和可見光，為深層腫瘤的非侵入性療法鋪平了道路。據稱，該技術能夠抑制腫瘤生長，控制其基因表達，是世界上首個使用納米粒子治療深層腫瘤的非侵入性光動力療法。

二氧化硅在日常生活、生產和科研等方面有著重要的用途，但有時也會對人體造成危害。二氧化硅的粉塵極細，比表面積達到100m2/g以上可以懸浮在空氣中，如果人長期吸入含有二氧化硅的粉塵，就會患硅肺病（因硅舊稱為矽，硅肺舊稱為矽肺）。

硅肺是一種職業病，它的發生及嚴重程度，取決于空氣中粉塵的含量和粉塵中二氧化硅的含量，以及與人的接觸時間等。長期在二氧化硅粉塵含量較高的地方，如采礦、翻砂、噴砂、制陶瓷、制耐火材料等場所工作的人易患此病。