SILICIUMOXIDE (SIO2): STRUCTUUR, EIGENSCHAPPEN, GEBRUIK, VERKRIJGEN - FYSIEK - 2025

Het siliciumoxide is een anorganische vaste stof gevormd door binding van een siliciumatoom en twee zuurstofatomen. De chemische formule is SiO ₂ . Deze natuurlijke verbinding wordt ook wel silica of siliciumdioxide genoemd.

SiO ₂ is het meest voorkomende mineraal in de aardkorst, aangezien zand bestaat uit silica. Afhankelijk van de structuur kan silica kristallijn of amorf zijn. Het is onoplosbaar in water, maar lost op in alkaliën en HF fluorwaterstofzuur.

Zand is een bron van siliciumdioxide SiO ₂ . ರವಿಮುಂ. Bron: Wikimedia Commons.

SiO ₂ is ook aanwezig in de structuur van bepaalde planten, bacteriën en schimmels. Ook in skeletten van mariene organismen. Naast zand zijn er ook andere soorten stenen die gemaakt zijn van silica.

Silica wordt veel gebruikt en vervult verschillende functies. Het meest wijdverbreide gebruik is als filtermateriaal voor vloeistoffen zoals oliën en aardolieproducten, dranken zoals bier en wijn, evenals vruchtensappen.

Maar het heeft veel andere toepassingen. Een van de meest bruikbare en belangrijkste is de productie van bioactieve glazen, die het mogelijk maken om "steigers" te maken waar botcellen groeien om botstukken te produceren die ontbreken als gevolg van een ongeval of ziekte.

Structuur

Siliciumdioxide SiO ₂ is een molecuul met drie atomen, waarin het siliciumatoom is gebonden aan twee covalent gebonden zuurstofatomen.

Chemische structuur van het SiO ₂ -molecuul . Grasso Luigi. Bron: Wikimedia Commons.

De structurele eenheid van vast silica als zodanig is een tetraëder waarin één siliciumatoom wordt omgeven door 4 zuurstofatomen.

Structurele eenheid van vast silica: grijs = silicium, rood = zuurstof. Benjah-bmm27. Bron: Wikimedia Commons.

Tetraëders verbinden zich door zuurstofatomen te delen vanaf hun aangrenzende hoekpunten.

Daarom deelt een siliciumatoom elk van de 4 zuurstofatomen met de helft en dit verklaart de relatie in de verbinding van 1 siliciumatoom tot 2 zuurstofatomen (SiO ₂ ).

Tetraëders delen de zuurstofatomen in SiO ₂ . Benjah-bmm27. Bron: Wikimedia Commons.

SiO ₂ -verbindingen zijn onderverdeeld in twee groepen: kristallijn silica en amorf silica.

Kristallijne silica-verbindingen hebben zich herhalende patroonstructuren van silicium en zuurstof.

Kristallijn silica heeft herhalende eenheden. Wersję rastrową wykonał użytkownik polskiego projektu wikiipedii: Polimerek, Zwektoryzował: Krzysztof Zajączkowski. Bron: Wikimedia Commons.

Alle silicakristallen kunnen worden beschouwd als een gigantisch molecuul waarvan het kristalrooster erg sterk is. Tetraëders kunnen op verschillende manieren met elkaar worden verbonden, waardoor verschillende kristallijne vormen ontstaan.

In amorf silica zijn de structuren willekeurig gehecht, zonder een gedefinieerd regelmatig patroon tussen de moleculen te volgen en deze staan ​​in een verschillende ruimtelijke relatie met elkaar.

In amorf silica zijn de bindingen niet repetitief of uniform. Silica.svg: * Silica.jpg: en: Gebruiker: Jdrewittderivative work: Matt. Bron: Wikimedia Commons.

Nomenclatuur

-Siliciumoxide

-Siliciumdioxide

-Silica

-Kwarts

-Tridimita

-Christobaliet

-Dioxosilaan

Eigendommen

Fysieke toestand

Kleurloze tot grijze vaste stof.

Monster van pure SiO ₂ . LHcheM. Bron: Wikimedia Commons.

Molecuulgewicht

60,084 g / mol

Smeltpunt

1713 ºC

Kookpunt

2230 ºC

Dichtheid

2,17-2,32 g / cm ³

Oplosbaarheid

Onoplosbaar in water. Amorf silica is oplosbaar in basen, vooral als het fijn verdeeld is. Oplosbaar in fluorwaterstofzuur HF.

Amorf silica is minder hydrofiel, dat wil zeggen, minder verwant aan water dan kristallijn.

Chemische eigenschappen

SiO ₂ of silica is in wezen inert voor de meeste stoffen, het is zeer weinig reactief.

Resists vallen uit chloor Cl ₂ , broom Br ₂ , waterstof H ₂ en de meeste zuren bij kamertemperatuur of iets hoger. Het wordt aangevallen door fluor F ₂ , fluorwaterstofzuur HF en door basen zoals natriumcarbonaat Na ₂ CO ₃ .

SiO ₂ kan worden gecombineerd met metalen elementen en oxiden om silicaten te vormen. Als silica wordt gesmolten met alkalimetaalcarbonaten bij ongeveer 1300 ° C, worden alkalisilicaten verkregen en wordt CO ₂ ontwikkeld .

Het is niet brandbaar. Het heeft een lage thermische geleidbaarheid.

Aanwezigheid in de natuur

De belangrijkste bron van silica in de natuur is zand.

SiO ₂ of silica heeft de vorm van drie kristallijne variëteiten: kwarts (de meest stabiele), tridymiet en cristobaliet. Amorfe vormen van silica zijn agaat, jaspis en onyx. Opaal is een amorf gehydrateerd silica.

Er is ook het zogenaamde biogene silica, dat wil zeggen dat het wordt gegenereerd door levende organismen. Bronnen van dit type silica zijn bacteriën, schimmels, diatomeeën, zeesponzen en planten.

De glanzende, harde delen van bamboe en stro bevatten silica, en de skeletten van sommige mariene organismen bevatten ook een hoog gehalte aan silica; de belangrijkste zijn echter diatomeeënaarde.

Diatomeeënaarde zijn geologische producten van vergane eencellige organismen (algen).

Andere soorten natuurlijk silica

In de natuur zijn er ook de volgende soorten:

- Glasachtige silica's die vulkanisch glas zijn

- Lechaterielieten die natuurlijke glazen zijn die worden geproduceerd door de versmelting van kiezelhoudend materiaal onder invloed van meteorieten

- Gesmolten siliciumdioxide dat wordt verwarmd tot de vloeistoffase en afgekoeld zonder dat het kristalliseert

Het verkrijgen van

Silica uit zand wordt rechtstreeks uit steengroeven gewonnen.

Zandgroeve in Californië. Ruff tuff cream puff. Bron: Wikimedia Commons.

Diatomiet of diatomeeënaarde wordt ook op deze manier verkregen met behulp van graafmachines en dergelijke.

Amorfe silica wordt bereid uitgaande van waterige oplossingen van alkalimetaalsilicaat (zoals natrium Na) door neutralisatie met zuur, zoals zwavelzuur H ₂ SO ₄ , zoutzuur HCl of kooldioxide CO ₂ .

Als de uiteindelijke pH van de oplossing neutraal of alkalisch is, wordt geprecipiteerd silica verkregen. Als de pH zuur is, wordt silicagel verkregen.

Gerookt silica bereid door verbranding van een vluchtige siliciumverbinding, meestal siliciumtetrachloride SiCl ₄ . Neergeslagen silica wordt verkregen uit een waterige oplossing van silicaten waaraan zuur wordt toegevoegd.

Colloïdaal silica is een stabiele dispersie van colloïdale deeltjes van amorf silica in een waterige oplossing.

Toepassingen

In verschillende toepassingen

Siliciumdioxide of SiO ₂ heeft een grote verscheidenheid aan functies, bijvoorbeeld het dient als slijpmiddel, absorberend, verdunningsmiddelen, vulstoffen, opacifeermiddel en aan de suspensie van andere stoffen, naast vele andere gebruiksmodi bevorderen.

Het wordt bijvoorbeeld gebruikt:

-Bij de vervaardiging van glas, keramiek, vuurvaste materialen, schuurmiddelen en waterglas

- Verkleuring en zuivering van oliën en aardolieproducten

-In gietvormen

-Als antiklontermiddel voor alle soorten poeders

-Als ontschuimer

-Vloeistoffen zoals oplosmiddelen voor chemisch reinigen, zwembadwater en gemeentelijk en industrieel afvalwater filteren

-Bij de fabricage van warmte-isolatie, brandvertragende stenen en brand- en zuurbestendige verpakkingsmaterialen

-Als vulstof bij de vervaardiging van papier en karton, om ze resistenter te maken

-Als vulmiddel voor verven om hun vloei en kleur te verbeteren

-In materialen voor het polijsten van metalen en hout, omdat het abrasiviteit geeft

-In chemische analyselaboratoria voor chromatografie en als absorberend middel

-Als antiklontermiddel in insecticide en agrochemische formules, om wasachtige pesticiden te helpen vermalen en als drager van de actieve stof

-Als katalysatorondersteuning

-Als vulmiddel om synthetische rubbers en rubbers te versterken

-Als drager van vloeistoffen in diervoeder

-In drukinkten

-Als droogmiddel en adsorbens, in de vorm van silicagel

-Als additief in cement

-Zoals huisdierenzand

-In isolatoren voor micro-elektronica

-Op thermo-optische schakelaars

Silicagel. KENPEI. Bron: Wikimedia Commons.

In de voedingsindustrie

Amorfe silica wordt verwerkt in een verscheidenheid aan voedingsproducten als een multifunctioneel direct ingrediënt in verschillende soorten voedsel. Het mag niet meer dan 2% van het afgewerkte voedsel bedragen.

Het dient bijvoorbeeld als antiklontermiddel (om te voorkomen dat bepaalde etenswaren gaan kleven), als stabilisator bij de bierproductie, als antiprecipitant om wijn, bier en fruit- of groentesappen te filteren.

Apparatuur voor het filteren van wijn met diatomeeënaarde (SiO ₂ ). Fabio Ingrosso. Bron: Wikimedia Commons.

Het werkt als een absorberend middel voor vloeistoffen in sommige voedingsmiddelen en als een bestanddeel van microcapsules om oliën op smaak te brengen.

Bovendien, de amorf SiO ₂ wordt via een speciaal proces op het oppervlak van de kunststof verpakking van levensmiddelen voorwerpen, als een barrière.

In de farmaceutische industrie

Het wordt toegevoegd als antiklontermiddel, verdikkingsmiddel, geleermiddel en als hulpstof, dat wil zeggen als hulpmiddel bij het tabletteren van verschillende geneesmiddelen en vitamines.

In de cosmetica- en persoonlijke verzorgingsindustrie

Het wordt in een groot aantal producten gebruikt: in gezichtspoeders, oogschaduw, eyeliners, lippenstiften, blushes, make-upverwijderaars, poeders, voetpoeders, haarkleurmiddelen en bleekmiddelen.

Ook in oliën en badzout, schuimbaden, hand- en lichaamscrèmes, vochtinbrengende crèmes, deodorants, gezichtscrèmes of maskers (behalve scheerschuim), parfums, lotions en reinigingscrèmes.

Ook in nachtcrèmes, nagellakken en verven, huidverfrissende lotions, haartoners, tandpasta, haarconditioners, bruiningsgels en crèmes.

In therapeutische toepassingen

SiO ₂ is aanwezig in bioactieve glazen of bioglazen waarvan de belangrijkste eigenschap is dat ze chemisch kunnen reageren met de biologische omgeving eromheen, waardoor ze een sterke en blijvende band vormen met levend weefsel.

Dit type materiaal wordt gebruikt om botvervangers te maken, zoals die in het gezicht, als "scaffolds" waarop botcellen zullen groeien. Ze hebben een goede biocompatibiliteit aangetoond met zowel botten als zachte weefsels.

Deze bioglazen maken het mogelijk om botten te herstellen van het gezicht van mensen die ze door een ongeval of ziekte zijn kwijtgeraakt.

Risico's

Zeer fijne silicadeeltjes kunnen in de lucht terechtkomen en niet-explosieve stofdeeltjes vormen. Maar dit stof kan de huid en ogen irriteren. De inademing veroorzaakt irritatie van de luchtwegen.

Bovendien veroorzaakt inademing van silicastof op lange termijn progressieve schade aan de longen, silicose genaamd.

Referenties

1. Amerikaanse National Library of Medicine. (2019). Siliciumdioxide. Opgehaald van pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Cotton, F. Albert en Wilkinson, Geoffrey. (1980). Geavanceerde anorganische chemie. Vierde druk. John Wiley & Sons.
3. Da Silva, MR et al. (2017). Groene extractietechnieken. Op silica gebaseerde sorptiemiddelen. In uitgebreide analytische chemie. Opgehaald van sciencedirect.com.
4. Ylänen, H. (redacteur). (2018). Bioactieve glazen: materialen, eigenschappen en toepassingen (tweede editie). Elsevier. Opgehaald van books.google.co.ve.
5. Windholz, M. et al. (redactie) (1983) The Merck Index. Een encyclopedie van chemicaliën, medicijnen en biologische producten. Tiende editie. Merck & CO., Inc.
6. Mäkinen, J. en Suni, T. (2015). SOI-wafers met dikke film. In Handbook of Silicon Based MEMS Materials and Technologies (Second Edition). Opgehaald van sciencedirect.com.
7. Sirleto, L. et al. (2010). Thermo-optische schakelaars. Silicium nanokristallen. Opgehaald van sciencedirect.com.