二氧化硅的物里化学性质

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1、二氧化硅的物化性质及结构，应用张林基 2012.9.12二氧化硅 - 性质介绍 1.物理性质二氧化硅又称硅石，化学式SiO2。自然界中存在有结晶二 氧化硅和无定形二氧化硅两种。 结晶二氧化硅因晶体结构不同，分为石英、鳞石英和方石 英三种。纯石英为无色晶体，大而透明棱柱状的石英叫水晶。 若含有微量杂质的水晶带有不同颜色，有紫水晶、茶晶等。普 通的砂是细小的石英晶体，有黄砂(较多的铁杂质)和白砂(杂质 少、较纯净)。二氧化硅晶体中，SiO2中SiO键的键能很高， 熔点、沸点较高（熔点1723，沸点2230）。自然界存在的 硅藻土是无定形二氧化硅，是低等水生植物硅藻的遗体，为白 色固体或粉末状，多孔

2、、质轻、松软的固体，吸附性强.二氧化硅存在着一系列的同质异构体，其同质异构体的 种类及性质如表SiO2 在常压下有七种晶型：-石英、- 石英、-鳞石英、-鳞石英、-鳞石英、-方 石英和 -方石英，常压下它们之间的转变温 度如图 所示： 其中 -型表示高温稳定存在的晶型，-型和 -型表示低温稳定存在的晶型。SiO2的多晶转变有同级转变和同类转变两种。不 同种类的 -型之间的转变称为同级转变。即 -石 英、-鳞石英和 -方石英之间的相互转变，同级转变 很慢，有时需要有矿化剂的情况才能完成。同一晶体 的高温型和低温型之间的相互转化称之为同类转变。 如 -石英和 -石英之间的转变，-鳞石英、-鳞石 英

3、和 -鳞石英之间的转变，-方石英和 -方石英之 间的转变，此类转变通常非常迅速。 其中，-石英在自然界分布极广，用途 也十分广泛。可用来制作光学仪器、精密仪器上 的轴承、钟表钻石，石英砂可做研磨材料，纯石 英砂是玻璃、陶瓷工业原料。无色透明的粗大石 英单晶可作为压电水晶，在无线电工业中用以制 造谐振器。柯石英和斯石英是 SiO2的两种天然高压同质 异构体，但斯石英形成时的压力比柯石英要高。柯 石英是硅原子成四配位的 SiO2各同质异构体中结 构最紧密的一种变体；斯石英则结晶成金紅石型结 构，是 SiO2的所有同质多象中硅原子具有六配位 的唯一变体。2.化学性质 二氧化硅是酸性氧化物、硅酸的酸酐

4、。化学性质 很稳定。不溶于水也不跟水反应，不跟一般的酸起作 用。能与氟化氢气体或氢氟酸反应生成四氟化硅气 体。 SiO2+4HF=SiF4+2H2O 有酸性氧化物的其它通性，高温下能与碱(强碱溶 液或熔化的碱)反应生成盐和水。常温下强碱溶液与 SiO2缓慢地作用生成相应的硅酸盐。强碱溶液能腐蚀 玻璃，故贮存强碱溶液的玻璃瓶不能用磨口玻璃塞， 若采用玻璃塞(玻璃中含SiO2)，会生成有粘性的硅酸 钠，将玻璃瓶塞和瓶口粘结在一起。玻璃瓶内不能久 放浓碱液。 高温下二氧化硅与碱性氧化物或某些金属的碳酸 盐共熔，生成硅酸盐。 SiO2+CaO=CaSiO3（炼铁造渣） 将此高温下熔融状态的硅酸钠降温、

5、冷却，可得 石英玻璃，它有良好的透过紫外线性能，可作水银灯 罩、耐高温的化学仪器、石英坩埚和光学仪器等.3. 结构构造 在大多数微电子工艺感兴趣的温度范围内，二氧化硅 的结晶率低到可以被忽略。尽管熔融石英不是长范围有序 ，但她却表现出短的有序结构，它的结构可认为是4个氧 原子位于三角形多面的脚上。多面体中心是一个硅原子。 这样，每4个氧原子近似共价键合到硅原子，满足了硅的 化合价外壳。 如果每个氧原子是两个多面体的一部分，则氧的 化合价也被满足，结果就成了称为石英的规则的晶体 结构。在熔融石英中，某些氧原子，成为氧桥位，与 两个硅原子键合。某些氧原子没有氧桥，只和一个硅 原子键合。可以认为热生

6、长二氧化硅主要是由人以方 向的多面体网络组成的。与无氧桥位相比，有氧桥的 部分越大，氧化层的粘合力就越大，而且受损伤的倾 向也越小。干氧氧化层的有氧桥与无氧桥的比率远大 于湿氧氧化层。因此，可以认为，SiO2与其说是原子 晶体，却更近似于离子晶体。氧原子与硅原子之间的 共价键向离子键过渡。4. 应用 柯石英（Coesite）是SiO2 的高压同质异构体 ，主要见于陨石冲击变质岩、榴辉岩和变质沉积岩。 1953 年 Coes 首先人工合成了柯石英。柯石英在 300- 1700摄氏度、1.5-1.9GPa 的条件下形成，而在温度大于 700 摄氏度、压力大于 2.5GPa时才能稳定存在16。 自

7、80 年代中期以来，在挪威南部加里东造山带基 底、欧洲厄尔士山脉、吉尔吉斯斯坦境内的北天山以 及我国的大别-苏鲁地区等地，相继发现了含柯石英（ 或柯石英假象）的超高压变质岩。 最近，外国学者 Obrien等于 1998 年在世界 上最年轻的喜玛拉雅山造山带西部构造带的榴辉岩中 发现了柯石英。自从变质成因柯石英榴辉岩首次发现 以来，含柯石英和金刚石的超高压变质岩相继在世界 范围内不同地区、不同时代的造山带中不断被发现。 根据已有的静高压实验结果表明，在自然界，除陨石 冲击作用外，就只有地球深度大于 90km，130km， 400km 的环境下才可能生成柯石英（90km）、金刚 （130km）、斯

8、石英（400km）。据此，一些科学家 断定，地表上的柯石英、金刚石是由于地球板块碰撞 俯冲到地下深部经过超高压变质作用，再折返形成造 山带，经巨大风化剥腐得到的，并提出了地球板块折 返假说。玻璃: 平板玻璃、浮法玻璃、玻璃制品（玻璃罐、玻璃瓶、玻璃 管等）、光学玻璃、玻璃纤维、玻璃仪器、导电玻璃、玻 璃布及防射线特种玻璃等的主要原料陶瓷及耐火材料 瓷器的胚料和釉料，窑炉用高硅砖、普通硅砖以及碳化硅 等的原料冶金 硅金属、硅铁合金和硅铝合金等的原料或添加剂、熔剂建筑 混凝土、胶凝材料、筑路材料、人造大理石、水泥物理性 能检验材料（即水泥标准砂）等化工 硅化合物和水玻璃等的原料，硫酸塔的填充物，无定形二 氧化硅微粉机械 铸造型砂的主要原料，研磨材料（喷砂、硬研磨纸、砂纸 、砂布等）电子 高纯度金属硅、通讯用光纤等橡胶、塑料 填料（可提高耐磨性）涂料 填料（可提高涂料的耐候性） 谢谢观看！