二氧化矽

二氧化矽（化學式：SiO2）是一種酸性氧化物，對應水化物為偏矽酸（H2SiO3）。它自古便為人所知。二氧化矽在自然界中最常見於石英、以及各種生物體中。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，約占地殼質量的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。

普通玻璃的成分主要是二氧化矽。

結晶二氧化矽可致肺癌。

## 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。結晶二氧化矽為1級致癌物。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。美國在2013年發布新規範之前，職業安全與健康管理局（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。燃煤產生的煤煙亦可含結晶二氧化矽。

「除矽肺病外，吸入少量（「可吸入的」）結晶矽顆粒還會引發肺癌、慢性阻塞性肺病 (COPD) 和腎病，並且會伴發肺部感染、自身免疫性疾病和心血管受損」。

## 結構

SiO2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，SiO2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SiO2來表示二氧化矽的組成。SiO4四面體不僅存在於SiO2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。

## 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（H2SiO3）。

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（H3PO4）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：

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

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：

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

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

SiO2的網狀結構決定了它具有優良的物理和化學性質，加上SiO2在自然界的廣泛存在，從古到今都被人類廣泛地應用著。

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。

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

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

SiO2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。

## 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。

形式｜晶體對稱性皮爾遜符號, 組號｜ρg/cm3｜注釋｜結構

α-石英｜六方晶系 (三角形)hP9, P3221 No.154｜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｜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｜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｜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｜2.334｜正常壓力下的穩定形式

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

熱液石英｜四方形tP36, P41212, No. 92｜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｜單斜晶系mS46, C2/c, No.15｜Si4O8和Si6O12 環

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

斯石英｜四方形tP6, P42/mnm, No.136｜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｜斜方晶oP, Pbcn｜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。

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

纖維W-石英｜斜方晶oI12, Ibam, No.72｜1.97｜類似二硫化矽，包含共邊連接的鏈狀結構，在約~1700 K時熔融

2D石英｜六方晶系｜片狀雙層結構

## 基本資料

- 英文名：Silicon dioxide
- 域：二氧化矽是砂的主要成分
- 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
- 化學式：SiO2
- MolarMass：60.085
- 外貌：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）
- MeltingPt：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）
- BoilingPt：2950 °C
- 水溶性：難溶於水
- SolubleOther：難溶於一般酸，但溶於氫氟酸中
- CrystalStruct：三方（α-石英）六方（β-石英、鱗石英）四方（α-方石英、斯石英）立方（β-方石英）單斜（柯石英）無定形體（玻璃體）
- FlashPt：不可燃
- NFPA-H：0
- NFPA-F：0
- NFPA-R：0
- RPhrases：吸入可能導致過敏-皮膚接觸可能導致過敏-吸入可能致癌
- SPhrases：不要吸入微塵-穿戴適合的防護服-穿戴適合的手套-發生事故或感到不適時立即求醫，可能的話出示標籤-防止暴露：使用前需獲特別指導
- OtherCations：二氧化碳、二氧化鍺、二氧化錫、二氧化鉛
- OtherCpds：矽酸