Silikondioksied

Silikondioksied, ook bekend as silika, is 'n oksied van silikon met die chemiese formule . Dit word in die natuur algemeen as die mineraal kwarts en die gesteente kwartsiet gevind.  Silika is die hoofbestanddeel van sand en dit is volop in baie dele van die wêreld. Dit is as verskeie ander minerale en as sintetiese produkte bekend. Alle vorms is wit of kleurloos, alhoewel onsuiwerhede dit kleure kan gee.

Struktuur 

In die meeste vorms van silikondioksied is die silikonatoom tetraëdriese gekoördineer, met vier suurstofatome wat 'n sentrale Si-atoom omring (sien 3 -D Eenheidsel). So vorm SiO2 vaste stowwe met 3-dimensionele netwerke waarin elke silikonatoom kovalent op 'n tetraëdriese wyse aan 4 suurstofatome gebind is.

Gebaseer op die verskille in kristalstruktuur kan silikondioksied in twee kategorieë verdeel word: kristallyn en nie-kristallyn (amorf). Kristallyne  kom in die natuur voor as kwarts, tridimiet, kristobaliet, stishoviet, en koesiet.  Amorfe silika kan ook in die natuur gevind word as opaal, infusoriumaarde en diatomeeënaarde. Kwartsglas kan as tussenvorm beskou word.

Al hierdie kristallyne vorms is altyd op dieselfde plaaslike struktuur rondom Si en O gebaseer. In α-kwarts is die Si–O-bindingslengte 161 pm, terwyl dit in α-tridimiet tussen 154 en 171 nm is. Die Si–O–Si-hoeke wissel ook tussen 'n lae waarde van 140° in α-tridimiet, tot 180° in β-tridimiet. In α-kwarts is die Si–O–Si-hoek 144°.

Alfa-kwarts is die stabielste vorm van vaste SiO2 by kamertemperatuur. Die hoëtemperatuurminerale, kristobaliet en tridimiet, het beide laer digthede en brekingsindekse as kwarts. Die transformasie van α-kwarts na beta-kwarts vind skielik by 573 °C plaas. Aangesien die transformasie gepaard gaan met 'n beduidende verandering in volume, kan dit maklik breking van keramiek of rotse veroorsaak wat deur hierdie temperatuurgrens gaan.

Die hoëdrukminerale, seifertiet, stishoviet en coesiet het egter hoër digthede en brekingsindekse as kwarts.

Stishovite het 'n rutiel-agtige struktuur waar silikon sesvoudig gekoördineer is. Die digtheid van stishoviet is 4,287 g/cm3. Ter vergelyking: α-kwarts, die digste van die laedrukvorms, het 'n digtheid van 2,648 g/cm3. Die verskil in digtheid kan toegeskryf word aan die toename in koördinasie as die ses kortste Si–O-bindingslengtes in stishoviet (vier Si–O-bindingslengtes van 176 pm en twee ander van 181 pm) groter is as die Si–O-bindingslengte (161 pm) in α-kwarts.

Die verandering in die koördinasie vergroot die ionogene karakter van die Si-O-binding.

Faujasiet-silika, nog 'n polimorf, word verkry deur die dealuminering van 'n laenatrium, ultrastabiele Y-zeoliet deur 'n  gekombineerde suur- en termiese behandeling. Die produk bevat meer as 99% silika, en het hoë kristalliniteit en spesifieke oppervlakte (meer as 800 m2/g). Faujasiet-silika het baie hoë termiese en suurstabiliteit. Dit handhaaf byvoorbeeld 'n hoë graad van  molekulêre langafstandsorde of kristalliniteit, selfs nadat dit in gekonsentreerde soutsuur gekook is.

Gesmelte SiO2
Gesmelte silika vertoon verskeie eienaardige fisiese eienskappe wat soortgelyk is aan dié wat in vloeibare water waargeneem word: negatiewe temperatuuruitsetting, digtheidmaksimum by temperature ~2000 °C, en 'n minimum hittekapasiteit. Die digtheid verminder van 2.08 g/cm3 teen 1950 °C tot 2.03 g/cm3 teen 2200 °C.

Molekulêre SiO2
Die SiO2-molekule het 'n lineêre struktuur soos . Dit word vervaardig deur silikonmonoksied (SiO) met suurstof in 'n argon-matriks te kombineer.
Die dimeriese silikondioksied, (SiO2)2 is verkry deur O2 te laat reageer met matriksgeïsoleerde dimeriese silikonmonoksied, (Si 2O2). In dimeriese silikondioksied is daar twee suurstofatome wat die silikonatome oorbrug met 'n Si-O-Si-hoek van 94° en bindingslengte van 164.6 pm. Die eindstandige Si-O-bindingslengte is 150.2 pm. Die Si–O-bindingslengte is 148.3 pm, wat korter is as die lengte van 161 pm in α-kwarts. Die bindingsenergie word geskat op 621,7 kJ/mol.

Chemiese eienskappe
Silikondioksied is 'n relatief inerte materiaal (vandaar sy wydverspreide voorkoms as 'n mineraal). Silika word dikwels gebruik as inerte houers vir chemiese reaksies. By hoë temperature word dit omgeskakel na silikon deur reduksie met waterstof.

Koolstof word gebruik om die element silikon te produseer. Die proses behels karbotermiese reduksie in 'n elektriese boogoond: 

Fluoor reageer met silikondioksied om silikonfluoried (SiF4) en O2 te vorm, terwyl die ander halogeengasse (Cl2, Br2, I2) onreaktief is.

 

Die meeste vorms van silikondioksied word deur fluoorsuur (HF)  aangeval ("geëts") om heksafluorokieselsuur te produseer:

Stishoviet reageer egter nie in enige beduidende mate op HF nie. HF word gebruik in die halfgeleierbedryf om silikondioksied te verwyder of te ets.

Silikondioksied tree op as 'n swak Lewis-suur, wat onder sekere omstandighede met basisse kan reageer. Silikondioksied los op in warm gekonsentreerde alkali of gesmelte hidroksied, soos beskryf in hierdie geïdealiseerde vergelyking:

Silikondioksied kan basiese metaaloksiede neutraliseer (bv. natriumoksied, kaliumoksied, lood(II)oksied, sinkoksied, of mengsels van oksiede, wat silikate vorm. 'n Voorbeeld kan die reaksie van natriumoksied en SiO2 is die vorming van van waterglas, 'n oplosbare  natriumsilikaat: 

Ander reaksieverhoudings kan ander produkte oplewer, insluitend glase:

Voorbeelde van sulke glase het kommersiële betekenis, bv. borosilikaatglas of loodglas. In hierdie glase word silika die netwerkvormer of roostervormer genoem. Terwyl silikondioksied slegs swak in water oplosbaar is teen lae of neutrale pH (tipies, 2 × 10−4 [mol/L] vir kwarts tot 10 −3 [mol/L] vir kriptokristallyne chalcedoon),  reageer sterk basisse met glas en los dit maklik op. Daarom moet sterk basisse in plastiekbottels gestoor word om te voorkom dat die botteldop vassteek en om ongewenste kontaminasie deur silikaat-anione te vermy. 

'n Reaksie met 'n basiese oksied word ook in hoogoonde gebruik om sand uit die erts te verwyder deur neutralisasie met kalsiumoksied, wat 'n slak van kalsiumsilikaat vorm.

Oplosbaarheid
Die oplosbaarheid van silikondioksied in water hang sterk af van sy kristallyne vorm. Dit bereik dit 'n hoogtepunt rondom 340 °C. Hierdie eienskap word gebruik om in 'n hidrotermiese proses enkelkristalle van kwarts te kweek. Natuurlike kwarts opgelos word in oorverhitte water in 'n drukvat wat koeler aan die bokant is. Kristalle van 0,5–1  kg kan in 1–2 maande verkry word. Hierdie kristalle is 'n bron van baie suiwer kwarts vir gebruik in elektroniese toepassings. Bo die kritieke temperatuur van water 647,096 K en 'n druk van 22,064, is water 'n superkritiese vloeistof en oplosbaarheid is nog hoër as by laer temperature.

Natuurlike voorkoms

Geologie
 word die meeste in die natuur as kwarts aangetref, wat meer as 10% van die aardkors se massa uitmaak.Kwarts is die enigste polimorf van silika wat op die Aarde se oppervlak stabiel is. Dit is die hoofbestanddeel van sand. Metastabiele hoëdrukvorme coesiet en stishoviet word rondom impakstrukture gevind en geassosieer met eklogiete gevorm tydens ultrahoëdrukmetamorfose. Die hoëtemperatuurvorme van tridimiet en kristobaliet is bekend van silikaryke vulkaniese gesteentes.

Biologie
Silika kom in baie plante soos rys voor, al is dit swak oplosbaar. Plantmateriaal met hoë silikainhoud blyk van belang vir weidende diere  te wees, van kouende insekte tot hoefdiere. Silika versnel tandslytasie, en hoë vlakke van silika in plante wat gereeld deur herbivore geëet word, kan as 'n verdedigingsmeganisme teen predasie  ontwikkel het.

Vir meer as 'n 1000 miljoen jaar is silikifikasie in en deur selle algemeen in die biologiese wêreld. In die moderne wêreld kom dit voor in bakterieë, eensellige organismes, plante en diere (invertebrate en vertebrate).
Prominente voorbeelde sluit in:
Die testae of frustules (d.i. skulpe) van diatomeeë, Radiolaria, en sommige  amoebes.
Silika fitoliete in die selle van baie plante, insluitend Equisetaceae, feitlik alle grasse, en 'n wye verskeidenheid tweesaadlobbiges.
Die spicula wat die skelet van baie sponse vorm.

Kristallyne minerale wat in die fisiologiese omgewing gevorm word, toon dikwels buitengewone fisiese eienskappe (bv. sterkte, hardheid, breuktaaiheid). Dit is geneig om hiërargiese strukture te vorm wat mikrostrukturele orde oor 'n reeks skale vertoon. Die minerale word uit 'n omgewing gekristalliseer wat onderversadig is met betrekking tot silikon, en onder toestande van neutrale pH en lae temperatuur (0–40 °C).

Gebruike

Struktuurgebruik
Sowat 95% van die kommersiële gebruik van silikondioksied (sand) vind in die konstruksiebedryf plaas, bv. vir die produksie van beton (Portland sementbeton).

Sekere afsettings van silikasand, met die gewenste deeltjiegrootte en -vorm en die gewenste klei- en ander mineraalinhoud, was belangrik vir sandgiet van metaalprodukte. Die hoë smeltpunt van silika stel dit in staat om in sulke toepassings gebruik te word, soos bv. as ystergietwerk. Moderne sandgietwerk gebruik soms ander minerale om ander redes. Kristallyne silika word gebruik in hidrouliese breking van formasies wat stywe olie en skaliegas bevat.

Grondstof vir glas
Silika is die primêre bestanddeel in die vervaardiging van die meeste glas. Aangesien ander minerale met silika gesmelt word, verlaag volgens die beginsel van vriespuntverlaging, die smeltpunt van die mengsel en verhoog dit die vloeibaarheid. Die glasoorgangtemperatuur van suiwer SiO2 is ongeveer 1475 K.

Wanneer gesmelte silikondioksied SiO2 vinnig afgekoel word, kristalliseer dit nie, maar stol dit as 'n glas. Om hierdie rede het die meeste keramiekglasure silika as die hoofbestanddeel.

Die strukturele geometrie van silikon en suurstof in glas is soortgelyk aan dié in kwarts en meeste ander kristallyne vorms van silikon en suurstof wat se silikon deur gereelde tetraëders van suurstofatome omring word. Die verskil tussen die glas- en kristallyne vorms betref die konnektiwiteit van die tetraëdriese eenhede: Alhoewel daar geen langafstand-periodisiteit in die glasagtige netwerk is nie, bly orde op lengteskale ver verby die SiO-bindingslengte bestaan. Een voorbeeld van hierdie ordening is die voorkeur om ringe van ses tetraëders te vorm.

Die meerderheid van die optiese vesels vir telekommunikasie word ook van silika gemaak. Dit is 'n primêre grondstof vir baie keramiek soos erdeware, steengoed, en porselein.

Rooksilika
Rooksilika, ook bekend as pirogeniese silika, word berei deur SiCl4 in 'n suurstofryke waterstofvlam te verbrand om 'n "rook" van SiO2 te produseer. 

Dit kan ook vervaardig word deur kwartssand in 'n 3000 °C elektriese boog te verdamp. Beide prosesse lei tot mikroskopiese druppels amorfe silika wat saamgesmelt word in vertakte, kettingagtige, driedimensionele sekondêre deeltjies wat dan agglomereer tot tersiêre deeltjies, 'n wit poeier met uiters lae massadigtheid (0.03-.15 g/cm<sup>3</sup) >) en dus 'n hoë spisifieke oppervlakte. 

Die deeltjies tree op as 'n tiksotropiese verdikkingsmiddel, of as 'n anti-koekmiddel. Dit kan behandel word om hulle hidrofiel of hidrofobies te maak vir water- of organiese vloeistoftoepassings.

Silikarook is 'n ultrafyn poeier wat versamel word as 'n neweproduk van die silikon- en ferrosilikon-legeringsproduksie. Dit bestaan ​​uit amorfe (nie-kristallyne) sferiese deeltjies met 'n gemiddelde deursnee van 150 nm, sonder die vertakkings van die pirogeniese produk. Die hoofgebruik is as pozzolaniese materiaal vir beton met 'n  hoë werkverrigting. Silikananodeeltjies kan suksesvol as 'n anti-verouderingsmiddel in asfaltbinders gebruik word.

Toepassings in voedsel, kosmetika en farmaseutika 
Silika, óf as kolloïdale neerslag, óf as pirogeniese rooksilika, is 'n algemene toevoeging in die voedselproduksie. Dit word hoofsaaklik gebruik as 'n vloei- of teenkoekmiddel in poeiervoedsel soos speserye en nie-suiwelkoffieverromers, of poeiers wat tot farmaseutiese tablette gevorm word. Dit kan water adsorbeer in higroskopiese toepassings. Kolloïdale silika word gebruik as 'n fynmiddel vir wyn, bier en vrugtesap. Dit het die E-nommer  E551.

In skoonheidsmiddels is silika nuttig vir sy ligverspreidende eienskappe.

Halfgeleiers
Silikondioksied word wyd gebruik in die halfgeleiertegnologie

 vir die primêre passivering (direk op die halfgeleieroppervlak),
 as 'n oorspronklike hek-diëlektrikum in MOS-tegnologie. Vandag het die skaal (dimensie van die heklengte van die MOS-transistor) onder 10  nm  gevorder en is silikondioksied deur ander diëlektriese materiale  vervang, soos hafniumoksied of soortgelyke met 'n hoër diëlektriese konstante in vergelyking met silikondioksied,
 as 'n diëlektriese laag tussen metaallae  (soms tot 8–10) wat as bedrading elemente verbind
 as 'n tweede passiveringslaag vir die beskerming van halfgeleierelemente en die metallisasielae. Dit is vandag tipies gelaag met 'n paar ander diëlektrika soos silikonnitried.

Silikondioksied kan op 'n silikonhalfgeleier gegroei word en dit kan die halfgeleier se oppervlak beskerm tydens die diffusieprosesse. Dit kan dus dele van die halfgeleier maskeer.

Kristalstrukture
SiO2 het baie polimorfe.

Verwysings

Eksterne skakels 

 
 Amorphous, NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards
 Crystalline, as respirable dust, NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards
 Formation of silicon oxide layers in the semiconductor industry. LPCVD and PECVD method in comparison. Stress prevention.
 Quartz (SiO2) piezoelectric properties

Anorganiese verbindings
Verbindings van silikon