二氧化硅

二氧化硅
英文名	Silicon dioxide
识别
CAS号	7631-86-9
PubChem	24261
ChemSpider	22683
Gmelin	200274
EINECS	231-545-4
ChEBI	30563
RTECS	VV7565000
KEGG	C16459
MeSH	Silicon+dioxide
性质
化学式	SiO2
摩尔质量	60.085 g·mol⁻¹
外观	无色六方晶体（α-石英、β-石英、鳞石英、方石英）无色无定形固体（玻璃体）
密度	2.648 g/cm3（α-石英） 2.533 g/cm3（β-石英，600 ℃时） 2.265 g/cm3（鳞石英） 2.334 g/cm3（方石英） 2.196 g/cm3（玻璃体）
熔点	573 ℃（α-石英转化为β-石英） 867 ℃（β-石英转化为鳞石英） 1470 ℃（鳞石英转化为方石英） 1722 ℃（方石英） 1713 ℃（玻璃体）
沸点	2950 °C
溶解性（水）	难溶于水
溶解性	难溶于一般酸，但溶于氢氟酸中
结构
晶体结构	六方（α-石英、β-石英、鳞石英、方石英）无定形体（玻璃体）
危险性
警示术语	R：R42-R43-R49
安全术语	S：S22-S36-S37-S45-S53
NFPA 704	0 0 0
闪点	不可燃
相关物质
其他阳离子	二氧化碳; 二氧化锗; 二氧化锡; 二氧化铅
相关化学品	矽酸
	若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。

二氧化矽（化学式：SiO
2）是一种酸性氧化物，对应水化物为偏矽酸（H
2SiO
3）。它自古便为人所知。二氧化矽在自然界中最常见的是石英，以及在各种生物体中^[2]^[3]。在世界的许多地方，二氧化矽是砂的主要成分。二氧化矽是最复杂和最丰富的材料家族之一，既是多种矿物质，又是被合成生产的。值得注意的实例包括熔融石英，水晶，热解法二氧化矽，矽胶和气凝胶。应用范围从结构材料到微电子学到食品工业中使用的成分。

二氧化矽是矽最重要的化合物，约占地壳质量的12%。自然界中二氧化矽的存在形态有结晶形和无定形两大类，因此统称为矽石。

结构

SiO
2晶体有多种晶型，其基本结构单元是四面体，每个Si周围结合4个O，Si在中心，O在四个顶角；最小环上有6个硅原子和六个氧原子。许多这样的四面体又通过顶角的O相连接，每个O为两个四面体所共有，即每个O与2个Si相结合。实际上，SiO
2晶体是由Si和O按1：2的比例所组成的立体网状结构的晶体。因此，通常用SiO
2来表示二氧化硅的组成。SiO
4四面体不仅存在于SiO
2晶体中，而且存在于所有硅酸盐矿石中，是构成多姿多彩的硅酸盐世界的基本骨架。

物理性质

硬度大、耐高温、耐震、绝缘，可以透过可见光以及红、紫外线。^{[来源请求]}

化学性质

二氧化硅是酸性氧化物，对应的最高价水化物为硅酸（H
2SiO
3）。二氧化硅化学性质不活泼，不容易与水和大部分酸发生反应。通常只能与碱性氧化物反应生成盐。氢氟酸（HF）和浓热的磷酸（H
3PO
4）是可以与之反应的酸。

其与氢氟酸反应生成氟化矽的化学方程式为：

{\rm {SiO_{2}+4HF\to SiF_{4}+2H_{2}O}}

通常只能与碱性氧化物反应生成盐。例如：

{\rm {SiO_{2}+CaO\to CaSiO_{3}}}

与强碱反应生成盐。例如：

{\rm {SiO_{2}+2NaOH\to Na_{2}SiO_{3}+H_{2}O}}

空气中若存在一定浓度的二氧化矽粉粒时，会经人类呼吸进入肺部，引发呼吸器官的相关疾病，例如尘肺症。

用途

SiO
2的网状结构决定了它具有优良的物理和化学性质，加上SiO
2在自然界的广泛存在，从古到今都被人类广泛地应用着。二氧化硅与其它化合物在高温下熔融，快速冷却可以制得玻璃。它也是沙子和石英的主要成分。在半导体和太阳能板等应用中，是目前主要的原料。

仅含二氧化矽单一成分的特种玻璃叫做石英玻璃。二氧化矽与石墨或活泼金属混合可以发生氧化还原反应制得硅单质。

{\rm {SiO_{2}+2C\to Si+2CO}}

{\rm {3SiO_{2}+4Al\to 3Si+2Al_{2}O_{3}}}

SiO
2于食品工业用作抗结剂，属食品添加剂之列。胶态，沉淀或热解法气相二氧化硅是食品生产中的常见添加剂。它主要用作粉状食品（例如香料和非乳制咖啡奶精）中的流动剂或防结块剂，或制成片剂的粉剂。它可以在吸湿性应用中吸收水。胶态二氧化硅用作葡萄酒，啤酒和果汁的澄清剂，E编号为E551。

在化妆品中，二氧化硅因其光扩散特性[30]和自然吸收性而有用。

硅藻土（一种开采的产品）二氧化硅在食品和化妆品中使用了几个世纪。它由微观硅藻的硅石壳组成。它以较少加工的形式作为“牙粉”出售。制造或开采的水合二氧化硅用作牙膏中的硬质磨料。二氧化硅还可用作催化剂载体，典型用途是制备硫化氢选择性氧化为硫磺的催化剂。

健康影响

经口摄取的二氧化硅基本上是无毒的，LD₅₀为5000mg / kg，因此完全可以用于食品。然而，吸入细分散的结晶二氧化硅粉尘可能导致矽肺病，支气管炎或癌症，因为灰尘停留在肺中并持续刺激组织，从而降低肺容量^[4]。研究显示，暴露于结晶二氧化硅的工人比一般人群的狼疮和其他自体免疫性疾病的预期高出10倍^[5]。美国在2013年发布新规范之前，职业安全与健康管理局（英语：Occupational Safety and Health Administration）（OSHA）允许每立方米空气含100μg二氧化矽，而新规定将含量减少至50μg/m³。建筑业的暴露限值也设定为从250 µg/m³下降至50 µg/m³。

结晶形式

SiO₂，以比几乎任何材料都多的许多晶体形式（称为多晶型物）存在。

SiO₂的结晶形式
形式	晶体对称性皮尔逊符号, 组号	ρ g/cm³	注释
α-石英	六方晶系 (三角形) hP9, P3₂21 No.154^[6]	2.648	使单个单晶具有光学活性的螺旋链; α-石英在846K下转化为β-石英
β-石英	六方晶系 hP18, P6₂22, No. 180^[7]	2.533	与α-石英密切相关（具有155°的Si-O-Si角）和光学活性; β-石英在1140K转化为β-鳞石英
α-鳞石英	正交晶系 oS24, C222₁, No.20^[8]	2.265	正常压力下的稳定形式
β-鳞石英	六方晶系 hP12, P6₃/mmc, No. 194^[8]		与α-鳞石英密切相关; β-鳞石英在2010 K时转化为β-方石英
α-方石英	四方晶系 tP12, P4₁2₁2, No. 92^[9]	2.334	正常压力下的稳定形式
β-方石英	立方晶系 cF104, Fd3m, No.227^[10]		与α-方石英密切相关; 在1978 K熔化
热液石英（英语：Keatite）	四方形 tP36, P4₁2₁2, No. 92^[11]	3.011	Si₅O₁₀, Si₄O₁₄, Si₈O₁₆ 环; 由玻璃状二氧化硅和碱在600-900K和40-400MPa下合成
莫甘石（英语：Moganite）	单斜晶系 mS46, C2/c, No.15^[12]		Si₄O₈和Si₆O₁₂ 环
柯石英	单斜晶系 mS48, C2/c, No.15^[13]	2.911	Si₄O₈和Si₈O₁₆环; 900 K 和 3–3.5 GPa
斯石英	四方形 tP6, P4₂/mnm, No.136^[14]	4.287	二氧化硅的最密集的（同时是赛石英）多晶型; 金红石型与6倍配位的硅; 7.5-8.5GPa
赛石英（英语：seifertite）	斜方晶 oP, Pbcn^[15]	4.294	二氧化硅的最密集的（同时是赛石英）多晶型; 它在高于40GPa的压力下产生。^[16]
硫方英石（英语：melanophlogite）	立方晶系 (cP*, P4₂32, No.208)^[17] 或四方形 (P4₂/nbc)^[18]	2.04	Si₅O₁₀, Si₆O₁₂环; 矿物总是被发现在间质空间中碳氢化合物 - 笼形硅^[19]
纤维W-石英	斜方晶 oI12, Ibam, No.72^[20]	1.97	Like SiS₂ consisting of edge sharing chains, melts at ~1700 K
2D石英（英语：2D silica）^[21]	六方晶系		片状双层结构

参见

碳化硅

参考文献

^ ^1.00 ^1.01 ^1.02 ^1.03 ^1.04 ^1.05 ^1.06 ^1.07 ^1.08 ^1.09 ^1.10 ^1.11 ^1.12 ^1.13 ^1.14 ^1.15 ^1.16 CRC Handbook of Chemistry and Physics 97th Edition. 2016-06-24: 4–84. ISBN 1-4987-5428-7 （英语）.
^ Iler, R. K. The Chemistry of Silica. Plenum Press. 1979. ISBN 0-471-02404-X.
^ Fernández LD, Lara E, Mitchell EA. Checklist, diversity and distribution of testate amoebae in Chile. Eur. J. Protistol. 2015, 51 (5): 409–24. PMID 26340665. doi:10.1016/j.ejop.2015.07.001.
^ CPWR-Center for Construction Research and Training — Work Safely with Silica: "What are the Health Effects? （页面存档备份，存于互联网档案馆）
^ The Future Directions of Lupus Research （页面存档备份，存于互联网档案馆）. niams.nih.gov
^ Lager G. A.; Jorgensen J. D.; Rotella F.J. Crystal structure and thermal expansion of a-quartz SiO₂ at low temperature. Journal of Applied Physics. 1982, 53 (10): 6751–6756. Bibcode:1982JAP....53.6751L. doi:10.1063/1.330062.
^ Wright, A. F.; Lehmann, M. S. The structure of quartz at 25 and 590 °C determined by neutron diffraction. Journal of Solid State Chemistry. 1981, 36 (3): 371–80. Bibcode:1981JSSCh..36..371W. doi:10.1016/0022-4596(81)90449-7.
^ ^8.0 ^8.1 Kihara, Kuniaki; Matsumoto, Takeo; Imamura, Moritaka. Structural change of orthorhombic-Itridymite with temperature: A study based on second-order thermal-vibrational parameters. Zeitschrift für Kristallographie. 1986, 177: 27–38. Bibcode:1986ZK....177...27K. doi:10.1524/zkri.1986.177.1-2.27.
^ Downs R. T.; Palmer D. C. The pressure behavior of a cristobalite (PDF). American Mineralogist. 1994, 79: 9–14 [2017-03-11]. （原始内容存档 (PDF)于2019-05-15）. （页面存档备份，存于互联网档案馆）
^ Wright, A. F.; Leadbetter, A. J. The structures of the β-cristobalite phases of SiO₂ and AlPO₄. Philosophical Magazine. 1975, 31 (6): 1391–401. Bibcode:1975PMag...31.1391W. doi:10.1080/00318087508228690.
^ Shropshire, Joseph; Keat, Paul P.; Vaughan, Philip A. The crystal structure of keatite, a new form of silica. Zeitschrift für Kristallographie. 1959, 112: 409–13. Bibcode:1959ZK....112..409S. doi:10.1524/zkri.1959.112.1-6.409.
^ Miehe, Gerhard; Graetsch, Heribert. Crystal structure of moganite: a new structure type for silica. European Journal of Mineralogy. 1992, 4 (4): 693–706. doi:10.1127/ejm/4/4/0693.
^ Levien L.; Prewitt C. T. High-pressure crystal structure and compressibility of coesite (PDF). American Mineralogist. 1981, 66: 324–333 [2017-03-11]. （原始内容存档 (PDF)于2016-06-04）. （页面存档备份，存于互联网档案馆）
^ Smyth J. R.; Swope R. J.; Pawley A. R. H in rutile-type compounds: II. Crystal chemistry of Al substitution in H-bearing stishovite (PDF). American Mineralogist. 1995, 80: 454–456 [2017-03-11]. （原始内容存档 (PDF)于2012-03-08）. （页面存档备份，存于互联网档案馆）
^ Dera P.; Prewitt C. T.; Boctor N. Z.; Hemley R. J. Characterization of a high-pressure phase of silica from the Martian meteorite Shergotty. American Mineralogist. 2002, 87: 1018 [2017-03-11]. （原始内容存档于2017-09-15）. （页面存档备份，存于互联网档案馆）
^ Seifertite （页面存档备份，存于互联网档案馆）. Mindat.org.
^ Skinner B. J.; Appleman D. E. Melanophlogite, a cubic polymorph of silica (PDF). American Mineralogist. 1963, 48: 854–867 [2017-03-11]. （原始内容存档 (PDF)于2019-02-12）. （页面存档备份，存于互联网档案馆）
^ Nakagawa T.; Kihara K.; Harada K. The crystal structure of low melanophlogite. American Mineralogist. 2001, 86: 1506 [2017-03-11]. （原始内容存档于2019-02-12）. （页面存档备份，存于互联网档案馆）
^ Rosemarie Szostak. Molecular sieves: Principles of Synthesis and Identification. Springer. 1998. ISBN 0-7514-0480-2.
^ Weiss, Alarich; Weiss, Armin. Über Siliciumchalkogenide. VI. Zur Kenntnis der faserigen Siliciumdioxyd-Modifikation. Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 1954, 276: 95–112. doi:10.1002/zaac.19542760110.
^ Björkman, T; Kurasch, S; Lehtinen, O; Kotakoski, J; Yazyev, O. V.; Srivastava, A; Skakalova, V; Smet, J. H.; Kaiser, U; Krasheninnikov, A. V. Defects in bilayer silica and graphene: common trends in diverse hexagonal two-dimensional systems. Scientific Reports. 2013, 3: 3482. Bibcode:2013NatSR...3E3482B. PMC 3863822 . PMID 24336488. doi:10.1038/srep03482.

[CRC_Handbook_of_Chemistry_and_Physics_97th_Edition-1] 1.00 ^1.01 ^1.02 ^1.03 ^1.04 ^1.05 ^1.06 ^1.07 ^1.08 ^1.09 ^1.10 ^1.11 ^1.12 ^1.13 ^1.14 ^1.15 ^1.16 CRC Handbook of Chemistry and Physics 97th Edition. 2016-06-24: 4–84. ISBN 1-4987-5428-7 （英语）.

[2] Iler, R. K. The Chemistry of Silica. Plenum Press. 1979. ISBN 0-471-02404-X.

[Fern-3] Fernández LD, Lara E, Mitchell EA. Checklist, diversity and distribution of testate amoebae in Chile. Eur. J. Protistol. 2015, 51 (5): 409–24. PMID 26340665. doi:10.1016/j.ejop.2015.07.001.

[4] CPWR-Center for Construction Research and Training — Work Safely with Silica: "What are the Health Effects? （页面存档备份，存于互联网档案馆）

[5] The Future Directions of Lupus Research （页面存档备份，存于互联网档案馆）. niams.nih.gov

[6] Lager G. A.; Jorgensen J. D.; Rotella F.J. Crystal structure and thermal expansion of a-quartz SiO₂ at low temperature. Journal of Applied Physics. 1982, 53 (10): 6751–6756. Bibcode:1982JAP....53.6751L. doi:10.1063/1.330062.

[7] Wright, A. F.; Lehmann, M. S. The structure of quartz at 25 and 590 °C determined by neutron diffraction. Journal of Solid State Chemistry. 1981, 36 (3): 371–80. Bibcode:1981JSSCh..36..371W. doi:10.1016/0022-4596(81)90449-7.

[trid-8] 8.0 ^8.1 Kihara, Kuniaki; Matsumoto, Takeo; Imamura, Moritaka. Structural change of orthorhombic-Itridymite with temperature: A study based on second-order thermal-vibrational parameters. Zeitschrift für Kristallographie. 1986, 177: 27–38. Bibcode:1986ZK....177...27K. doi:10.1524/zkri.1986.177.1-2.27.

[9] Downs R. T.; Palmer D. C. The pressure behavior of a cristobalite (PDF). American Mineralogist. 1994, 79: 9–14 [2017-03-11]. （原始内容存档 (PDF)于2019-05-15）. （页面存档备份，存于互联网档案馆）

[10] Wright, A. F.; Leadbetter, A. J. The structures of the β-cristobalite phases of SiO₂ and AlPO₄. Philosophical Magazine. 1975, 31 (6): 1391–401. Bibcode:1975PMag...31.1391W. doi:10.1080/00318087508228690.

[11] Shropshire, Joseph; Keat, Paul P.; Vaughan, Philip A. The crystal structure of keatite, a new form of silica. Zeitschrift für Kristallographie. 1959, 112: 409–13. Bibcode:1959ZK....112..409S. doi:10.1524/zkri.1959.112.1-6.409.

[12] Miehe, Gerhard; Graetsch, Heribert. Crystal structure of moganite: a new structure type for silica. European Journal of Mineralogy. 1992, 4 (4): 693–706. doi:10.1127/ejm/4/4/0693.

[13] Levien L.; Prewitt C. T. High-pressure crystal structure and compressibility of coesite (PDF). American Mineralogist. 1981, 66: 324–333 [2017-03-11]. （原始内容存档 (PDF)于2016-06-04）. （页面存档备份，存于互联网档案馆）

[14] Smyth J. R.; Swope R. J.; Pawley A. R. H in rutile-type compounds: II. Crystal chemistry of Al substitution in H-bearing stishovite (PDF). American Mineralogist. 1995, 80: 454–456 [2017-03-11]. （原始内容存档 (PDF)于2012-03-08）. （页面存档备份，存于互联网档案馆）

[15] Dera P.; Prewitt C. T.; Boctor N. Z.; Hemley R. J. Characterization of a high-pressure phase of silica from the Martian meteorite Shergotty. American Mineralogist. 2002, 87: 1018 [2017-03-11]. （原始内容存档于2017-09-15）. （页面存档备份，存于互联网档案馆）

[16] Seifertite （页面存档备份，存于互联网档案馆）. Mindat.org.

[mel-17] Skinner B. J.; Appleman D. E. Melanophlogite, a cubic polymorph of silica (PDF). American Mineralogist. 1963, 48: 854–867 [2017-03-11]. （原始内容存档 (PDF)于2019-02-12）. （页面存档备份，存于互联网档案馆）

[18] Nakagawa T.; Kihara K.; Harada K. The crystal structure of low melanophlogite. American Mineralogist. 2001, 86: 1506 [2017-03-11]. （原始内容存档于2019-02-12）. （页面存档备份，存于互联网档案馆）

[19] Rosemarie Szostak. Molecular sieves: Principles of Synthesis and Identification. Springer. 1998. ISBN 0-7514-0480-2.

[20] Weiss, Alarich; Weiss, Armin. Über Siliciumchalkogenide. VI. Zur Kenntnis der faserigen Siliciumdioxyd-Modifikation. Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 1954, 276: 95–112. doi:10.1002/zaac.19542760110.

[21] Björkman, T; Kurasch, S; Lehtinen, O; Kotakoski, J; Yazyev, O. V.; Srivastava, A; Skakalova, V; Smet, J. H.; Kaiser, U; Krasheninnikov, A. V. Defects in bilayer silica and graphene: common trends in diverse hexagonal two-dimensional systems. Scientific Reports. 2013, 3: 3482. Bibcode:2013NatSR...3E3482B. PMC 3863822 . PMID 24336488. doi:10.1038/srep03482.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]