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、质轻、松软
2、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、-鳞石英和 -鳞石英之间的转变，-
3、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。化学性质很稳定。不溶于水也不跟水反应，不跟
4、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、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
5、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
6、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 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
7、-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
8、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！,
