二氧化硅

二氧化硅的化學式為SiO2。二氧化硅有晶態和無定形兩種形態。自然界中存在的二氧化硅如石英、石英砂等統稱硅石。純石英為無色晶體，大而透明的稜柱狀石英晶體叫做水晶，含微量雜質而呈紫色的叫紫水晶，淺黃、金黃和褐色的稱煙水晶。玉髓、瑪瑙和碧玉都是含有雜質的有色石英晶體。沙子是混有雜質的石英細粒。蛋白石、硅藻土則是無定形二氧化硅。二氧化硅用途很廣泛，主要用於制玻璃、水玻璃、陶器、搪瓷、耐火材料、氣凝膠氈、硅鐵、型砂、單質硅、水泥等，在古代，二氧化硅也用來製作瓷器的釉面和胎體。一般的石頭主要由二氧化硅、碳酸鈣構成。

晶態二氧化硅的熔點1723℃，沸點2230℃，不溶於水。除氟氣和氫氟酸外，二氧化硅跟鹵素、鹵化氫和無機酸均不反應，但能溶於熱的濃鹼、熔融的強鹼或碳酸鈉中。此外，高溫時二氧化硅能被焦炭、鎂等還原。常溫時強鹼溶液與SiO2會緩慢反應生成硅酸鹽，故貯存強鹼溶液的玻璃瓶不能用磨口玻璃塞（玻璃中含SiO2），否則會生成有黏性的硅酸鈉Na2SiO3，使瓶塞和瓶口黏結在一起。由於SiO2能與氫氟酸反應，因此不能用玻璃容器盛放氫氟酸。

晶態二氧化硅

密度：2.2 g/cm

熔點：1723℃

沸點：2230℃

折射率：1.6

受熱時的變化：與強鹼在加熱時熔化，生成硅酸鹽

溶解度：不溶於水，能與HF作用生成氣態SiF4

化學性質比較穩定。不跟水反應。是酸性氧化物，不跟一般酸反應。氫氟酸跟二氧化硅反應生成氣態四氟化硅。跟熱的濃強鹼溶液或熔化的鹼反應生成硅酸鹽和水。跟多種金屬氧化物在高溫下反應生成硅酸鹽。二氧化硅的性質不活潑，它不與除氟、氟化氫以外的鹵素、鹵化氫以及硫酸、硝酸、高氯酸作用（熱濃磷酸除外）。

常見的濃磷酸（或者說焦磷酸）在高溫下即可腐蝕二氧化硅，生成雜多酸，高溫下熔融硼酸鹽或者硼酐亦可腐蝕二氧化硅，鑒於此性質，硼酸鹽可以用於陶瓷燒制中的助熔劑，除此之外氟化氫也可以可使二氧化硅溶解的酸，生成易溶於水的氟硅酸。

SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O

6HF+SiO2=H2SiF6+2H2O

SiO2+2NaOH（濃）=Na2SiO3+H2O

SiO2+Na2CO3=Na2SiO3+CO2↑ （高溫）

SiO2+CaO=CaSiO3

SiO2+2C=2CO+Si

非晶態二氧化硅的製備方法

非晶態二氧化硅的製備包含五步，分別是製備二氧化硅質的凝膠、造粒工序、燒結工序、清洗工序、乾燥工序。

1：製備二氧化硅質的凝膠

使四氯化硅水解而生成二氧化硅質的凝膠、或使四甲氧基硅烷等有機硅化合物水解而生成二氧化硅質的凝膠、或者使用氣相二氧化硅生成二氧化硅質的凝膠。

2：造粒工序

通過乾燥該二氧化硅質的凝膠而成為乾燥粉，粉碎該乾燥粉后，進行分級，由此得到所期望平均粒徑的二氧化硅粉末。

3：燒結工序

對造粒工序中所得到的二氧化硅粉末在800℃~1450℃的溫度進行燒結，利用熱等離子體的球化工序，在以預定的流量導入氬氣並以預定的高頻輸出功率產生等離子體的等離子體炬內，以預定的供給速度投入燒結工序得到的二氧化硅粉末，在從2000℃至二氧化硅的沸點的溫度加熱並熔融。

4：清洗工序

去除附著於上述球化工序后的球化二氧化硅粉末表面上的微粉。

5：乾燥工序

乾燥上述清洗工序后的二氧化硅粉末。

晶態二氧化硅的製備方法

將含有二氧化硅的原料（硅源）、水、結構導向劑、鹼或酸按一定的比例混合均勻，投入耐壓反應釜內密封，然後升溫至100-220℃，恆溫5小時至10天，反應結束后，將反應釜迅速冷卻，反應產物用水或稀酸洗滌至pH為8-11，烘乾得到原粉，原粉或加入粘結劑成型后的產物在馬弗爐或管式爐中焙燒活化。

硅和碳的性質相似，但它們氧化物的性質卻有很大差異。CO2是分子晶體，而SiO2是原子晶體。SiO2是以硅氧四面體為基本結構形成的立體網狀結構，在晶體結構中，硅原子的4個價電子與4個氧原子形成4個共價鍵，Si原子處在正四面體中心，O原子位於四面體頂點。每個硅原子與四個氧原子相連，每個氧原子與兩個硅原子相連。晶體中最小環由12個原子（6個硅原子和6個氧原子）構成，每個硅被6個環所共用，晶體中硅氧原子個數比為1:2。

在沉積岩中，二氧化硅礦物主要出現在碎屑岩和硅質岩中。它既可以作為陸源礦物，也可以呈自生礦物出現。這兩種二氧化硅礦物的成因極不相同，必須把它們區分開來。

陸源礦物即碎屑石英顆粒。有些碎屑石英顆粒含有包裹體，其包裏體可以分為氣液包裏體和礦物包裹體兩類。礦物包裹體又可根據礦物的晶形分為粒狀、針狀和片狀礦物等。包裹體的類型與石英的來源有關。一般地說，氣液包裹體多者（乳狀石英）幾乎都是來自石英脈；片岩及其他高級變質岩中的石英少見氣液包裹體；火山岩中的石英常清澈如水，很少含包裹體；而具金紅石針狀包裹體者多來自花崗岩。但是，由於包裹體在母岩中的產狀比較複雜，顆粒非常細小，鑒定又難，故其應用頗受限制。

根據石英的消光特徵，可以將它分為無波狀消光石英和波狀消光石英兩類。波狀消光是一種應變晶體的簡單的光性表現，大多數岩石無論在結晶過程中或是在晶體形成之後，都會遭受某種變形。據統計，在深成侵入岩和變質岩中，無波狀消光的石英是很少的，一般不到10%；反之，在火山岩中，則很少見到波狀消光的石英，一般也不到10%。而且隨著時代的變老，波狀消光石英的含量也相應增加，因此石英的消光特徵並不是母岩類型的可靠標誌，甚至有人認為，用波狀消光來確定母岩性質是無效的。

根據石英的內部結構，又可將它分為單晶石英和多晶石英（又稱復晶石英）。單晶石英指的是由單個晶體所組成的顆粒，而多晶石英指的是兩個或更多個晶體的集合體，包括來自火成岩、變質岩和沉積岩的顆粒。一般來說，多晶石英的顆粒都比較大，且多晶形式是比較不穩定的。

自生二氧化硅礦物有三種變體，即蛋白石、玉髓和石英。此類礦物既可以單獨組成岩石，又可以呈膠結物產出。

1、蛋白石

蛋白石是直接從水溶液析出SiO2，膠體脫水而成的，因而是非晶質的，含水量很高（可達10%）。在薄片中，蛋白石無色透明，具負高突起。由於色散效應，在蛋白石與樹膠或石英接觸處顯黃色。無解理。正交鏡下全消光。蛋白石易與火山玻璃碎屑相混，但玻屑具特殊外形，其折光率不會低於1.490。蛋白石也容易和方沸石相混，但方沸石具有解理。與螢石的區別是，螢石有晶形且具解理。蛋白石是准穩定礦物，容易重結晶向玉髓轉變。因此，它僅存在於年輕地層中。

2、玉髓

玉髓是隱晶質的SiO2礦物，是由蛋白石結晶而成的，故其是介於蛋白石和石英之間的過渡類型。在薄片中，玉髓無色透明，負低突起。正交鏡下可見纖維狀晶體，呈花瓣或扇狀集合體，轉動物台，玉髓纖維依次達到消光位，消光影呈波浪狀移動，這種消光特點稱扇狀消光。有時玉髓為球狀集合體，十字消光。Ⅰ級灰干涉色，主要為平行消光。福克曾提出要特別注意碳酸鹽岩中一種自生玉髓的類型，它可以用以判斷沉積環境和成岩環境。福克將這類玉髓分為負延性玉髓（負玉髓）、正延性玉髓（正玉髓）、水玉髓和斑狀玉髓。前者為淡水環境沉積或交代的產物，一般玉髓多屬此類。后三種玉髓可能是在蒸發環境中SiO2直接沉澱的，或是SiO2交代蒸發礦物形成的。

3、石英

自生石英多是由蛋白石經玉髓階段重結晶而來，也有從溶液中直接緩慢沉澱而成的。自生石英的主要特徵是外形沒有任何磨蝕痕迹，彼此間常呈鑲嵌狀，有時呈自形晶體，有時外形與其所在空間相適應。自生石英呈次生加大邊產出，次生加大邊光潔透亮，與所圍繞的石英顆粒的成分、光性方位相同，但它們之間常有一圈鐵或黏土的薄膜分隔。

二氧化硅是製造玻璃、石英玻璃、水玻璃、光導纖維、電子工業的重要部件、光學儀器、工藝品和耐火材料的原料，是科學研究的重要材料。

當二氧化硅結晶完美時就是水晶；二氧化硅膠化脫水后就是瑪瑙；二氧化硅含水的膠體凝固后就成為蛋白石；二氧化硅晶粒小於幾微米時，就組成玉髓、燧石、次生石英岩。物理性質和化學性質均十分穩定的礦產資源，晶體屬三方晶系的氧化物礦物，即低溫石英（α-石英），是石英族礦物中分佈最廣的一個礦物種。廣義的石英還包括高溫石英（β-石英）。石英塊又名硅石，主要是生產石英砂(又稱硅砂)的原料，也是石英耐火材料和燒制硅鐵的原料。

除此之外，二氧化硅還可以作為潤滑劑，是一種優良 的流動促進劑，主要作為潤滑劑、抗黏劑、助流劑。特別適宜油類、浸膏類藥物的制粒，製成的顆粒具有很好的流動性和可壓性。還可以在直接壓片中用作助流劑。作為崩解劑可大大改善顆粒流動性，提高松密度，使製得的片劑硬度增加，縮短崩解時限，提高藥物溶出速度。顆粒劑製造中可作內乾燥劑，以增強藥物的穩定性。還可以作助濾劑、澄清劑、消泡劑以及液體製劑的助懸劑、增稠劑。

FAO/WHO（2001）規定最大使用量用於乳粉、可可粉、加糖可可粉、食用納脂、可可脂，用量10mg/kg；奶油脂為1g/kg；塗敷用蔗糖粉和葡萄糖粉、湯粉、湯塊15g/kg；美國FDA規定本品作為抗結劑最高限量為2%。GB 2760—2011《食品安全國家標準食品添加劑使用標準》規定將其用於蛋粉、乳粉、可可製品、脫水蛋白製品、糖粉、植脂性粉末、固體飲料、孕產婦配方食品，最大使用量為15g/kg；香辛料類、固體複合調味料最大使用量為20g/kg；豆製品加工最大使用量0.025g/kg。

除以上之外，我國還有磷酸三鈣做抗結劑，常用於乳粉和奶油粉，最大使用量10.0g/kg；小麥粉，最大使用量0.03g/kg；複合調味料，最大使用量20.0g/kg；固體飲料，最大使用量8.0g/kg；油炸小食品，最大使用量2.0g/kg。

二氧化硅在日常生活、生產和科研等方面有著重要的用途，但有時也會對人體造成危害。二氧化硅的粉塵極細，比表面積達到100m/g以上可以懸浮在空氣中，如果人長期吸入含有二氧化硅的粉塵，就會患硅肺病（因硅舊稱為矽，硅肺舊稱為矽肺）。

硅肺是一種職業病，它的發生及嚴重程度，取決於空氣中粉塵的含量和粉塵中二氧化硅的含量，以及與人的接觸時間等。長期在二氧化硅粉塵含量較高的地方，如採礦、翻砂、噴砂、制陶瓷、制耐火材料等場所工作的人易患此病。

因此，在這些粉塵較多的工作場所，應採取嚴格的勞動保護措施，採用多種技術和設備控制工作場所的粉塵含量，以保證工作人員的身體健康。