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二氧化硅的理化性质及制备方法!


                                                    


硅原子和氧原子长程有序排列形成晶态二氧化硅,短程有序或长程无序排列形成非晶态二氧化硅。二氧化硅晶体中,硅原子位于正四面体的中心,四个氧原子位于正四面体的四个顶角上,许多个这样的四面体又通过顶角的氧原子相连,每个氧原子为两个四面体共有,即每个氧原子与两个硅原子相结合。二氧化硅的最简式是SiO2,但SiO2不代表一个简单分子(仅表示二氧化硅晶体中硅和氧的原子个数之比)。纯净的天然二氧化硅晶体,是一种坚硬、脆性、难溶的无色透明的固体,常用于制造光学仪器等。


一、物质简介


二氧化硅的化学式为SiO2。二氧化硅有晶态和无定形两种形态。自然界中存在的二氧化硅如石英、石英砂等统称硅石。纯石英为无色晶体,大而透明的棱柱状石英晶体叫做水晶,含微量杂质而呈紫色的叫紫水晶,浅黄、金黄和褐色的称烟水晶。玉髓、玛瑙和碧玉都是含有杂质的有色石英晶体。沙子是混有杂质的石英细粒。蛋白石、硅藻土则是无定形二氧化硅。二氧化硅用途很广泛,主要用于制玻璃、水玻璃、陶器、搪瓷、耐火材料、气凝胶毡、硅铁、型砂、单质硅、水泥等,在古代,二氧化硅也用来制作瓷器的釉面和胎体。一般的石头主要由二氧化硅、碳酸钙构成。

晶态二氧化硅的熔点1723℃,沸点2230℃,不溶于水。除氟气和氢氟酸外,二氧化硅跟卤素、卤化氢和无机酸均不反应,但能溶于热的浓碱、熔融的强碱或碳酸钠中。此外,高温时二氧化硅能被焦炭、镁等还原。常温时强碱溶液与SiO2会缓慢反应生成硅酸盐,故贮存强碱溶液的玻璃瓶不能用磨口玻璃塞(玻璃中含SiO2),否则会生成有黏性的硅酸钠Na2SiO3,使瓶塞和瓶口黏结在一起。由于SiO2能与氢氟酸反应,因此不能用玻璃容器盛放氢氟酸。


二、理化性质

1、物理性质

晶态二氧化硅

密度:2.648g/cm3

溶点:1723℃

沸点:2230℃

折射率:1.6

受热时的变化:与强碱在加热时熔化,生成硅酸盐

溶解度:不溶于水,能与HF作用生成气态SiF4


2、化学性质

化学性质比较稳定。不跟水反应。是酸性氧化物,不跟一般酸反应。氢氟酸跟二氧化硅反应生成气态四氟化硅。跟热的浓强碱溶液或熔化的碱反应生成硅酸盐和水。跟多种金属氧化物在高温下反应生成硅酸盐。二氧化硅的性质不活泼,它不与除氟、氟化氢以外的卤素、卤化氢以及硫酸、硝酸、高氯酸作用(热浓磷酸除外)。

常见的浓磷酸(或者说焦磷酸)在高温下即可腐蚀二氧化硅,生成杂多酸,高温下熔融硼酸盐或者硼酐亦可腐蚀二氧化硅,鉴于此性质,硼酸盐可以用于陶瓷烧制中的助熔剂,除此之外氟化氢也可以可使二氧化硅溶解的酸,生成易溶于水的氟硅酸。

SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O

6HF+SiO2=H2SiF6+2H2O

SiO2+2NaOH(浓)=Na2SiO3+H2O

SiO2+Na2CO3=Na2SiO3+CO2↑

SiO2+CaO=CaSiO3

SiO2+2C=2CO+Si


三、矿物分类

在沉积岩中,二氧化硅矿物主要出现在碎屑岩和硅质岩中。它既可以作为陆源矿物,也可以呈自生矿物出现。这两种二氧化硅矿物的成因极不相同,必须把它们区分开来。


1、陆源矿物

陆源矿物即碎屑石英颗粒。有些碎屑石英颗粒含有包裹体,其包裏体可以分为气液包裏体和矿物包裹体两类。矿物包裹体又可根据矿物的晶形分为粒状、针状和片状矿物等。包裹体的类型与石英的来源有关。一般地说,气液包裹体多者(乳状石英)几乎都是来自石英脉;片岩及其他高级变质岩中的石英少见气液包裹体;火山岩中的石英常清澈如水,很少含包裹体;而具金红石针状包裹体者多来自花岗岩。但是,由于包裹体在母岩中的产状比较复杂,颗粒非常细小,鉴定又难,故其应用颇受限制。

根据石英的消光特征,可以将它分为无波状消光石英和波状消光石英两类。波状消光是一种应变晶体的简单的光性表现,大多数岩石无论在结晶过程中或是在晶体形成之后,都会遭受某种变形。据统计,在深成侵入岩和变质岩中,无波状消光的石英是很少的,一般不到10%;反之,在火山岩中,则很少见到波状消光的石英,一般也不到10%。而且随着时代的变老,波状消光石英的含量也相应增加,因此石英的消光特征并不是母岩类型的可靠标志,甚至有人认为,用波状消光来确定母岩性质是无效的。

根据石英的内部结构,又可将它分为单晶石英和多晶石英(又称复晶石英)。单晶石英指的是由单个晶体所组成的颗粒,而多晶石英指的是两个或更多个晶体的集合体,包括来自火成岩、变质岩和沉积岩的颗粒。一般来说,多晶石英的颗粒都比较大,且多晶形式是比较不稳定的。


2、自生矿物

自生二氧化硅矿物有三种变体,即蛋白石、玉髓和石英。此类矿物既可以单独组成岩石,又可以呈胶结物产出。

⑴蛋白石

蛋白石是直接从水溶液析出SiO2,胶体脱水而成的,因而是非晶质的,含水量很高(可达10%)。在薄片中,蛋白石无色透明,具负高突起。由于色散效应,在蛋白石与树胶或石英接触处显黄色。无解理。正交镜下全消光。蛋白石易与火山玻璃碎屑相混,但玻屑具特殊外形,其折光率不会低于1.490。蛋白石也容易和方沸石相混,但方沸石具有解理。与萤石的区别是,萤石有晶形且具解理。蛋白石是准稳定矿物,容易重结晶向玉髓转变。因此,它仅存在于年轻地层中。

⑵玉髓

玉髓是隐晶质的SiO2矿物,是由蛋白石结晶而成的,故其是介于蛋白石和石英之间的过渡类型。在薄片中,玉髓无色透明,负低突起。正交镜下可见纤维状晶体,呈花瓣或扇状集合体,转动物台,玉髓纤维依次达到消光位,消光影呈波浪状移动,这种消光特点称扇状消光。有时玉髓为球状集合体,十字消光。Ⅰ级灰干涉色,主要为平行消光。福克曾提出要特别注意碳酸盐岩中一种自生玉髓的类型,它可以用以判断沉积环境和成岩环境。福克将这类玉髓分为负延性玉髓(负玉髓)、正延性玉髓(正玉髓)、水玉髓和斑状玉髓。前者为淡水环境沉积或交代的产物,一般玉髓多属此类。后三种玉髓可能是在蒸发环境中SiO2直接沉淀的,或是SiO2交代蒸发矿物形成的。

⑶石英

自生石英多是由蛋白石经玉髓阶段重结晶而来,也有从溶液中直接缓慢沉淀而成的。自生石英的主要特征是外形没有任何磨蚀痕迹,彼此间常呈镶嵌状,有时呈自形晶体,有时外形与其所在空间相适应。自生石英呈次生加大边产出,次生加大边光洁透亮,与所围绕的石英颗粒的成分、光性方位相同,但它们之间常有一圈铁或黏土的薄膜分隔。


四、制备方法

非晶态二氧化硅的制备方法

非晶态二氧化硅的制备包含五步,分别是制备二氧化硅质的凝胶、造粒工序、烧结工序、清洗工序、干燥工序。

1:制备二氧化硅质的凝胶

使四氯化硅水解而生成二氧化硅质的凝胶、或使四甲氧基硅烷等有机硅化合物水解而生成二氧化硅质的凝胶、或者使用气相二氧化硅生成二氧化硅质的凝胶。

2:造粒工序

通过干燥该二氧化硅质的凝胶而成为干燥粉,粉碎该干燥粉后,进行分级,由此得到所期望平均粒径的二氧化硅粉末。

3:烧结工序

对造粒工序中所得到的二氧化硅粉末在800℃~1450℃的温度进行烧结,利用热等离子体的球化工序,在以预定的流量导入氩气并以预定的高频输出功率产生等离子体的等离子体炬内,以预定的供给速度投入烧结工序得到的二氧化硅粉末,在从2000℃至二氧化硅的沸点的温度加热并熔融。

4:清洗工序

去除附着于上述球化工序后的球化二氧化硅粉末表面上的微粉。

5:干燥工序

干燥上述清洗工序后的二氧化硅粉末。

晶态二氧化硅的制备方法

将含有二氧化硅的原料(硅源)、水、结构导向剂、碱或酸按一定的比例混合均匀,投入耐压反应釜内密封,然后升温至100-220℃,恒温5小时至10天,反应结束后,将反应釜迅速冷却,反应产物用水或稀酸洗涤至pH为8-11,烘干得到原粉,原粉或加入粘结剂成型后的产物在马弗炉或管式炉中焙烧活化。


五、物质用途

二氧化硅是制造玻璃、石英玻璃、水玻璃、光导纤维、电子工业的重要部件、光学仪器、工艺品和耐火材料的原料,是科学研究的重要材料。

当二氧化硅结晶完美时就是水晶;二氧化硅胶化脱水后就是玛瑙;二氧化硅含水的胶体凝固后就成为蛋白石;二氧化硅晶粒小于几微米时,就组成玉髓、燧石、次生石英岩。物理性质和化学性质均十分稳定的矿产资源,晶体属三方晶系的氧化物矿物,即低温石英(α-石英),是石英族矿物中分布最广的一个矿物种。广义的石英还包括高温石英(β-石英)。石英块又名硅石,主要是生产石英砂(又称硅砂)的原料,也是石英耐火材料和烧制硅铁的原料。

除此之外,二氧化硅还可以作为润滑剂,是一种优良的流动促进剂,主要作为润滑剂、抗黏剂、助流剂。特别适宜油类、浸膏类药物的制粒,制成的颗粒具有很好的流动性和可压性。还可以在直接压片中用作助流剂。作为崩解剂可大大改善颗粒流动性,提高松密度,使制得的片剂硬度增加,缩短崩解时限,提高药物溶出速度。颗粒剂制造中可作内干燥剂,以增强药物的稳定性。还可以作助滤剂、澄清剂、消泡剂以及液体制剂的助悬剂、增稠剂。


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