二氧化硅

二氧化硅（化学式：SiO2）是一种酸性氧化物，对应水化物为偏硅酸（H2SiO3）。它自古便为人所知。二氧化硅在自然界中最常见于石英、以及各种生物体中。在世界的许多地方，二氧化硅是砂的主要成分。二氧化硅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，热解法二氧化硅，硅胶和气凝胶。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。

二氧化硅是硅最重要的化合物，约占地壳质量的12%。自然界中二氧化硅的存在形态有结晶形和无定形两大类，因此统称为硅石。

普通玻璃的成分主要是二氧化硅。

结晶二氧化硅可致肺癌。

## 健康影响

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经口摄取的二氧化硅基本上是无毒的，LD50为5000mg / kg，因此可以用于食品。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。结晶二氧化硅为1级致癌物。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。美国在2013年发布新规范之前，职业安全与健康管理局（OSHA）允许每立方米空气含100μg二氧化硅，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。燃煤产生的煤烟亦可含结晶二氧化硅。

“除矽肺病外，吸入少量（“可吸入的”）结晶硅颗粒还会引发肺癌、慢性阻塞性肺病 (COPD) 和肾病，并且会伴发肺部感染、自身免疫性疾病和心血管受损”。

## 结构

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SiO2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，SiO2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SiO2来表示二氧化硅的组成。SiO4四面体不仅存在于SiO2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。

## 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（H2SiO3）。

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（H3PO4）是可以与之反应的酸。

其与氢氟酸反应生成氟化硅的化学方程式为：

$$\rm SiO_2+4HF\to SiF_4+2H_2O$$

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：

$$\rm SiO_2+2NaOH\to Na_2SiO_3+H_2O$$

空气中若存在一定浓度的二氧化硅粉粒时，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。

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## 用途

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SiO2的网状结构决定了它具有优良的物理和化学性质，加上SiO2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。

仅含二氧化硅单一成分的特种玻璃叫做石英玻璃。二氧化硅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。

$$\rm SiO_2+2C\to Si+2CO$$

$$\rm 3SiO_2+4Al\to 3Si+2Al_2O_3$$

SiO2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。

## 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。

形式｜晶体对称性皮尔逊符号, 组号｜ρg/cm3｜注释｜结构

α-石英｜六方晶系 (三角形)hP9, P3221 No.154｜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｜

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β-石英｜六方晶系hP18, P6222, No. 180｜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｜

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α-鳞石英｜正交晶系oS24, C2221, No.20｜2.265｜正常压力下的稳定形式｜

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β-鳞石英｜六方晶系hP12, P63/mmc, No. 194｜与α-鳞石英密切相关; β-鳞石英在2010 K时转化为β-方石英｜

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α-方石英｜四方晶系tP12, P41212, No. 92｜2.334｜正常压力下的稳定形式｜

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β-方石英｜立方晶系cF104, Fd3m, No.227｜与α-方石英密切相关; 在1978 K熔化｜

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热液石英｜四方形tP36, P41212, No. 92｜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｜

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莫甘石｜单斜晶系mS46, C2/c, No.15｜Si4O8和Si6O12 环｜

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柯石英｜单斜晶系mS48, C2/c, No.15｜2.911｜Si4O8和Si8O16环; 900 K 和 3–3.5 GPa｜

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斯石英｜四方形tP6, P42/mnm, No.136｜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｜

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赛石英｜斜方晶oP, Pbcn｜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。｜

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硫方英石｜立方晶系 (cP、, P4232, No.208) 或四方形 (P42/nbc)｜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｜

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纤维W-石英｜斜方晶oI12, Ibam, No.72｜1.97｜类似二硫化硅，包含共边连接的链状结构，在约~1700 K时熔融｜

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2D石英｜六方晶系｜片状双层结构｜

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## 基本资料

- 英文名：Silicon dioxide
- 域：二氧化硅是砂的主要成分
- CASNo：7631-86-9
- PubChem：24261
- ChemSpiderID：22683
- UNII：ETJ7Z6XBU4
- EINECS：231-545-4
- KEGG：C16459
- MeSHName：Silicon+dioxide
- ChEBI：30563
- RTECS：VV7565000
- Gmelin：200274
- StdInChI：1S/O2Si/c1-3-2
- StdInChIKey：VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N
- 化学式：SiO2
- MolarMass：60.085
- 外貌：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）
- MeltingPt：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）
- BoilingPt：2950 °C
- 水溶性：难溶于水
- SolubleOther：难溶于一般酸，但溶于氢氟酸中
- CrystalStruct：三方（α-石英）六方（β-石英、鳞石英）四方（α-方石英、斯石英）立方（β-方石英）单斜（柯石英）无定形体（玻璃体）
- FlashPt：不可燃
- NFPA-H：0
- NFPA-F：0
- NFPA-R：0
- RPhrases：吸入可能导致过敏-皮肤接触可能导致过敏-吸入可能致癌
- SPhrases：不要吸入微尘-穿戴适合的防护服-穿戴适合的手套-发生事故或感到不适时立即求医，可能的话出示标签-防止暴露：使用前需获特别指导
- OtherCations：二氧化碳、二氧化锗、二氧化锡、二氧化铅
- OtherCpds：硅酸