二氧化矽

二氧化矽
英文名	Silicon dioxide
識別
CAS編號	7631-86-9
PubChem	24261
ChemSpider	22683
Gmelin	200274
EINECS	231-545-4
ChEBI	30563
RTECS	VV7565000
KEGG	C16459
MeSH	Silicon+dioxide
性質
化學式	SiO2
摩爾質量	60.085 g·mol⁻¹
外觀	無色六方晶體（α-石英、β-石英、鱗石英、方石英）無色無定形固體（玻璃體）
密度	2.648 g/cm3（α-石英） 2.533 g/cm3（β-石英，600 ℃時） 2.265 g/cm3（鱗石英） 2.334 g/cm3（方石英） 2.196 g/cm3（玻璃體）
熔點	573 ℃（α-石英轉化為β-石英） 867 ℃（β-石英轉化為鱗石英） 1470 ℃（鱗石英轉化為方石英） 1722 ℃（方石英） 1713 ℃（玻璃體）
沸點	2950 °C
溶解性（水）	難溶於水
溶解性	難溶於一般酸，但溶於氫氟酸中
結構
晶體結構	六方（α-石英、β-石英、鱗石英、方石英）無定形體（玻璃體）
危險性
警示術語	R：R42-R43-R49
安全術語	S：S22-S36-S37-S45-S53
NFPA 704	0 0 0
閃點	不可燃
相關物質
其他陽離子	二氧化碳; 二氧化鍺; 二氧化錫; 二氧化鉛
相關化學品	矽酸
	若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。

二氧化矽（化學式：SiO
2）是一種酸性氧化物，對應水化物為偏矽酸（H
2SiO
3）。它自古便為人所知。二氧化矽在自然界中最常見的是石英，以及在各種生物體中^[2]^[3]。在世界的許多地方，二氧化矽是砂的主要成分。二氧化矽是最複雜和最豐富的材料家族之一，既是多種礦物質，又是被合成生產的。值得注意的實例包括熔融石英，水晶，熱解法二氧化矽，矽膠和氣凝膠。應用範圍從結構材料到微電子學到食品工業中使用的成分。

二氧化矽是矽最重要的化合物，約佔地殼質量的12%。自然界中二氧化矽的存在形態有結晶形和無定形兩大類，因此統稱為矽石。

結構

SiO
2晶體有多種晶型，其基本結構單元是四面體，每個Si周圍結合4個O，Si在中心，O在四個頂角；最小環上有6個矽原子和六個氧原子。許多這樣的四面體又通過頂角的O相連接，每個O為兩個四面體所共有，即每個O與2個Si相結合。實際上，SiO
2晶體是由Si和O按1：2的比例所組成的立體網狀結構的晶體。因此，通常用SiO
2來表示二氧化矽的組成。SiO
4四面體不僅存在於SiO
2晶體中，而且存在於所有矽酸鹽礦石中，是構成多姿多彩的矽酸鹽世界的基本骨架。

物理性質

硬度大、耐高溫、耐震、絕緣，可以透過可見光以及紅、紫外線。^{[來源請求]}

化學性質

二氧化矽是酸性氧化物，對應的最高價水化物為矽酸（H
2SiO
3）。二氧化矽化學性質不活潑，不容易與水和大部分酸發生反應。通常只能與鹼性氧化物反應生成鹽。氫氟酸（HF）和濃熱的磷酸（H
3PO
4）是可以與之反應的酸。

其與氫氟酸反應生成氟化矽的化學方程式為：

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

通常只能與鹼性氧化物反應生成鹽。例如：

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

與強鹼反應生成鹽。例如：

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

空氣中若存在一定濃度的二氧化矽粉粒時，會經人類呼吸進入肺部，引發呼吸器官的相關疾病，例如塵肺症。

用途

SiO
2的網狀結構決定了它具有優良的物理和化學性質，加上SiO
2在自然界的廣泛存在，從古到今都被人類廣泛地應用着。二氧化矽與其它化合物在高溫下熔融，快速冷卻可以製得玻璃。它也是沙子和石英的主要成分。在半導體和太陽能板等應用中，是目前主要的原料。

僅含二氧化矽單一成分的特種玻璃叫做石英玻璃。二氧化矽與石墨或活潑金屬混合可以發生氧化還原反應製得矽單質。

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

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

SiO
2於食品工業用作抗結劑，屬食品添加劑之列。膠態，沉澱或熱解法氣相二氧化矽是食品生產中的常見添加劑。它主要用作粉狀食品（例如香料和非乳制咖啡奶精）中的流動劑或防結塊劑，或製成片劑的粉劑。它可以在吸濕性應用中吸收水。膠態二氧化矽用作葡萄酒，啤酒和果汁的澄清劑，E編號為E551。

在化妝品中，二氧化矽因其光擴散特性[30]和自然吸收性而有用。

硅藻土（一種開採的產品）二氧化矽在食品和化妝品中使用了幾個世紀。它由微觀硅藻的矽石殼組成。它以較少加工的形式作為「牙粉」出售。製造或開採的水合二氧化矽用作牙膏中的硬質磨料。二氧化矽還可用作催化劑載體，典型用途是製備硫化氫選擇性氧化為硫磺的催化劑。

健康影響

經口攝取的二氧化矽基本上是無毒的，LD₅₀為5000mg / kg，因此完全可以用於食品。然而，吸入細分散的結晶二氧化矽粉塵可能導致矽肺病，支氣管炎或癌症，因為灰塵停留在肺中並持續刺激組織，從而降低肺容量^[4]。研究顯示，暴露於結晶二氧化矽的工人比一般人群的狼瘡和其他自體免疫性疾病的預期高出10倍^[5]。美國在2013年發佈新規範之前，職業安全與健康管理局（英語：Occupational Safety and Health Administration）（OSHA）允許每立方米空氣含100μg二氧化矽，而新規定將含量減少至50μg/m³。建築業的暴露限值也設定為從250 µg/m³下降至50 µg/m³。

結晶形式

SiO₂，以比幾乎任何材料都多的許多晶體形式（稱為多晶型物）存在。

SiO₂的結晶形式
形式	晶體對稱性皮爾遜符號, 組號	ρ g/cm³	註釋
α-石英	六方晶系 (三角形) hP9, P3₂21 No.154^[6]	2.648	使單個單晶具有光學活性的螺旋鏈; α-石英在846K下轉化為β-石英
β-石英	六方晶系 hP18, P6₂22, No. 180^[7]	2.533	與α-石英密切相關（具有155°的Si-O-Si角）和光學活性; β-石英在1140K轉化為β-鱗石英
α-鱗石英	正交晶系 oS24, C222₁, No.20^[8]	2.265	正常壓力下的穩定形式
β-鱗石英	六方晶系 hP12, P6₃/mmc, No. 194^[8]		與α-鱗石英密切相關; β-鱗石英在2010 K時轉化為β-方石英
α-方石英	四方晶系 tP12, P4₁2₁2, No. 92^[9]	2.334	正常壓力下的穩定形式
β-方石英	立方晶系 cF104, Fd3m, No.227^[10]		與α-方石英密切相關; 在1978 K熔化
熱液石英（英語：Keatite）	四方形 tP36, P4₁2₁2, No. 92^[11]	3.011	Si₅O₁₀, Si₄O₁₄, Si₈O₁₆ 環; 由玻璃狀二氧化矽和鹼在600-900K和40-400MPa下合成
莫甘石（英語：Moganite）	單斜晶系 mS46, C2/c, No.15^[12]		Si₄O₈和Si₆O₁₂ 環
柯石英	單斜晶系 mS48, C2/c, No.15^[13]	2.911	Si₄O₈和Si₈O₁₆環; 900 K 和 3–3.5 GPa
斯石英	四方形 tP6, P4₂/mnm, No.136^[14]	4.287	二氧化矽的最密集的（同時是賽石英）多晶型; 金紅石型與6倍配位的矽; 7.5-8.5GPa
賽石英（英語：seifertite）	斜方晶 oP, Pbcn^[15]	4.294	二氧化矽的最密集的（同時是賽石英）多晶型; 它在高於40GPa的壓力下產生。^[16]
硫方英石（英語：melanophlogite）	立方晶系 (cP*, P4₂32, No.208)^[17] 或四方形 (P4₂/nbc)^[18]	2.04	Si₅O₁₀, Si₆O₁₂環; 礦物總是被發現在間質空間中碳氫化合物 - 籠形矽^[19]
纖維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（英語：2D silica）^[21]	六方晶系		片狀雙層結構

參見

碳化矽

參考文獻

^ ^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 （英語）.
^ 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? （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
^ The Future Directions of Lupus Research （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. 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]. （原始內容存檔 (PDF)於2019-05-15）. （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
^ 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]. （原始內容存檔 (PDF)於2016-06-04）. （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
^ 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]. （原始內容存檔 (PDF)於2012-03-08）. （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
^ 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]. （原始內容存檔於2017-09-15）. （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
^ Seifertite （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. Mindat.org.
^ Skinner B. J.; Appleman D. E. Melanophlogite, a cubic polymorph of silica (PDF). American Mineralogist. 1963, 48: 854–867 [2017-03-11]. （原始內容存檔 (PDF)於2019-02-12）. （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
^ Nakagawa T.; Kihara K.; Harada K. The crystal structure of low melanophlogite. American Mineralogist. 2001, 86: 1506 [2017-03-11]. （原始內容存檔於2019-02-12）. （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
^ 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 （英語）.

[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? （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）

[5] The Future Directions of Lupus Research （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. 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]. （原始內容存檔 (PDF)於2019-05-15）. （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）

[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]. （原始內容存檔 (PDF)於2016-06-04）. （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）

[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]. （原始內容存檔 (PDF)於2012-03-08）. （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）

[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]. （原始內容存檔於2017-09-15）. （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）

[16] Seifertite （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. 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]. （原始內容存檔 (PDF)於2019-02-12）. （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）

[18] Nakagawa T.; Kihara K.; Harada K. The crystal structure of low melanophlogite. American Mineralogist. 2001, 86: 1506 [2017-03-11]. （原始內容存檔於2019-02-12）. （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）

[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]