構造 α-石英に見られる構造モチーフだが、二酸化ケイ素のほぼすべての形態にも見られる。 低圧二酸化ケイ素の典型的なサブユニット いくつかのSiO2 形態における屈折率と密度の関係[ 7 ] 二酸化ケイ素の大部分では、ケイ素原子は四面体配位 を示し、中心のSi原子を4つの酸素原子が取り囲んでいます(3次元単位格子を参照)。したがって、SiO 2 は、各ケイ素原子が4つの酸素原子と四面体的に共有結合している3次元ネットワーク固体を形成します。[ 8 ] [ 9 ] 対照的に、CO 2は直線分子です。炭素とケイ素の二酸化ケイ素の構造の著しい違いは 、二重結合規則 の現れです。[ 10 ]
結晶構造の違いに基づいて、二酸化ケイ素は結晶質と非結晶質(アモルファス )の2つのカテゴリーに分類できます。結晶質の二酸化ケイ素は、石英 、トリディマイト (高温型)、クリストバライト (高温型)、スティショバイト (高圧型)、コーサイト (高圧型)として天然に存在します。一方、アモルファスシリカは、オパール や珪藻土 として天然に存在します。石英ガラスは、これらの構造の中間状態です。[ 11 ]
これらの異なる結晶形態は すべて 、SiとOの周りの局所構造が常に同じです。α-石英ではSi–O結合長は161 pmですが、α-トリディマイトでは154~171 pmの範囲です。Si –O–Si角 も、α-トリディマイトでは140°という低い値から、β-トリディマイトでは180°まで変化します。α-石英では、Si–O–Si角は144°です。[ 12 ]
溶融SiO₂ 溶融シリカは、液体の 水 で観察されるものと同様のいくつかの特異な物理的特性を示します。負の温度膨張、約 5000 °C で密度が最大となること、および熱容量が最小となることです。[ 19 ] その密度は1950 °Cで 2.08 g/cm 3 から2200 °C で2.03 g/cm 3 まで減少します。[ 20 ]
分子状SiO₂ 分子SiO₂は CO₂ の ような直線構造を持つ。これは、一酸化ケイ素 (SiO)とアルゴン マトリックス中の酸素を反応させることによって生成される。二量体二酸化ケイ素(SiO₂)₂は、O₂ とマトリックス に 分離された二量体一酸化ケイ素(Si₂O₂ ) を 反応させることによって得られる。二量体二酸化ケイ素では、Si–O–Si角が94°、結合長が164.6 pmの2つの酸素原子がケイ素原子間に架橋しており、末端のSi–O結合長は150.2 pmである。Si–O結合長は148.3 pmであり、 α-石英の 161 pmと比較される。結合エネルギーは621.7 kJ/molと推定される。[ 21 ]
用途
ガラスとシリコンの前駆体 シリカは、ほとんどのガラス の製造における主成分です。他の鉱物をシリカと溶融すると、凝固点降下 の原理により混合物の融点が低下し、流動性が高まります。純粋なSiO₂ のガラス転移 温度は約1475 Kです。[ 35 ] 溶融した二酸化ケイ素SiO₂を急速に冷却すると、 結晶化せず、ガラスとして固化します。[ 36 ] このため、ほとんどのセラミック釉薬の 主成分はシリカです。[ 37 ]
ガラス中のシリコンと酸素の構造幾何学は、石英や他のほとんどのシリコンと酸素の結晶形と同様で、シリコンは酸素中心の正四面体に囲まれています。ガラスと結晶形の違いは、四面体ユニットの接続性に起因します。ガラス状ネットワークには長距離周期性はありませんが、SiO結合長をはるかに超える長さスケールで秩序が維持されます。この秩序の一例は、6-四面体のリングを形成する傾向があることです。[ 38 ]
通信 用光ファイバー の大部分もシリカでできている。シリカは、陶器 、炻器 、磁器 など、多くのセラミック製品の主要な原料でもある。
二酸化ケイ素は元素シリコン の製造に使用されます。このプロセスは電気アーク炉 での炭素還元を 含みます: [ 39 ]
SiO 2 + 2 C ⟶ Si + 2 CO {\displaystyle {\ce {SiO2 + 2 C -> Si + 2 CO}}}
ヒュームドシリカ ヒュームドシリカ(パイロジェニックシリカとも呼ばれる)は、 SiCl 4 を酸素を豊富に含む水素炎で燃焼させてSiO 2 の「煙」を生成することによって作られる。[ 15 ]
SiCl 4 + 2 H 2 + O 2 ⟶ SiO 2 + 4 HCl {\displaystyle {\ce {SiCl4 + 2 H2 + O2 -> SiO2 + 4 HCl}}} また、3000 °C の電気アークで石英砂を蒸発させることによっても製造できます 。どちらのプロセスでも、非晶質 シリカの微細な液滴が融合して分岐した鎖状の三次元二次粒子となり、それが凝集して三次粒子、つまり極めて低いかさ密度 (0.03~0.15 g/cm 3 ) で表面積が大きい白色粉末になります。[ 40 ] これらの粒子はチキソトロピー 増粘剤または固結防止剤として機能し、水または有機液体用途向けに親水性または疎水性に処理することができます。
最大表面積380 m²/gの製造ヒュームド シリカ シリカフュームは、シリコンおよび フェロシリコン 合金の製造の副産物として収集される超微細粉末です。これは、熱分解生成物の分岐がなく、平均粒子径が 150 nm の非晶質(非結晶性)球状粒子で構成されています 。主な用途は、高性能コンクリートのポゾラン 材料としてです。ヒュームドシリカナノ粒子は、アスファルトバインダーの老化防止剤として効果的に使用できます。[ 41 ]
生産 二酸化ケイ素は主に砂の採掘 や石英 の精製などの採掘によって得られます。石英は多くの用途に適していますが、より純度の高い、あるいはより適した(例えば、より反応性が高い、あるいはより微細な)製品を作るには化学処理が必要です。[ 55 ] [ 56 ]
沈降シリカ 沈降シリカまたは非晶質シリカは、ケイ酸ナトリウム 溶液を酸性化することによって生成される。ゲル状の沈殿物またはシリカゲルは 、まず洗浄され、次に脱水されて無色の微多孔性シリカが生成される。[ 15 ] トリケイ酸塩と硫酸 を含む理想的な式は次のとおりである。
ナ 2 Si 3 O 7 + H 2 それで 4 ⟶ 3 SiO 2 + ナ 2 それで 4 + H 2 O {\displaystyle {\ce {Na2Si3O7 + H2SO4 -> 3 SiO2 + Na2SO4 + H2O}}} 1999年には年間約10億キログラムのシリカがこの方法で生産され、主にポリマー複合材料(タイヤや靴底など)に使用されました。[ 22 ]
マイクロチップ上で シリコンウェハ上には、 熱酸化 によってシリカの薄膜が自然に成長し、約1 nm または10 Å の非常に薄い層、いわゆる自然酸化膜が形成される。[ 57 ] シリコン上に制御された二酸化ケイ素層を成長させるには、より高い温度と別の環境が用いられる。例えば、600~1200℃の温度で、 O₂ を用いたいわゆる乾燥酸化法が用いられる。
Si + O 2 ⟶ SiO 2 {\displaystyle {\ce {Si + O2 -> SiO2}}} またはH₂O による湿式酸化。[ 58 ] [ 59 ]
Si + 2 H 2 O ⟶ SiO 2 + 2 H 2 {\displaystyle {\ce {Si + 2 H2O -> SiO2 + 2 H2}}} 自然酸化膜はマイクロエレクトロニクス において有益であり、高い化学的安定性を持つ電気絶縁体 として機能します。シリコンを保護し、電荷を蓄積し、電流を遮断し、さらには電流の流れを制限する制御経路としても機能します。[ 60 ]
実験室または特殊な方法
有機ケイ素化合物から 二酸化ケイ素への多くの経路は、有機ケイ素化合物、例えば HMDSO [ 61 ] TEOS から始まります。シリカの合成は、テトラエチルオルトシリケート (TEOS) を使用して以下に示されています。[ 62 ] TEOS を 680~730 °C で加熱するだけで、 酸化物が得られます。
Si ( OC 2 H 5 ) 4 ⟶ SiO 2 + 2 O ( C 2 H 5 ) 2 {\displaystyle {\ce {Si(OC2H5)4 -> SiO2 + 2 O(C2H5)2}}} 同様に、TEOSは約400 ℃で燃焼する。
Si ( OC 2 H 5 ) 4 + 12 O 2 ⟶ SiO 2 + 10 H 2 O + 8 CO 2 {\displaystyle {\ce {Si(OC2H5)4 + 12 O2 -> SiO2 + 10 H2O + 8 CO2}}} TEOSは、いわゆるゾルゲル法によって 加水分解 される。反応の過程と生成物の性質は触媒によって影響を受けるが、理想化された式は次のようになる。[ 63 ]
Si ( OC 2 H 5 ) 4 + 2 H 2 O ⟶ SiO 2 + 4 HOCH 2 CH 3 {\displaystyle {\ce {Si(OC2H5)4 + 2 H2O -> SiO2 + 4 HOCH2CH3}}}
その他の方法 二酸化ケイ素は非常に安定しているため、多くの方法で生成されます。概念的には単純ですが、実用的な価値はほとんどないのが、シラン の燃焼による二酸化ケイ素の生成です。この反応はメタンの燃焼と類似しています。
SiH 4 + 2 O 2 ⟶ SiO 2 + 2 H 2 O {\displaystyle {\ce {SiH4 + 2 O2 -> SiO2 + 2 H2O}}} しかし、シランからの二酸化ケイ素の結晶表面への化学気相堆積は、 窒素をキャリアガスとして200~500 ℃で使用されてきた。[ 64 ]
化学反応 二酸化ケイ素は比較的反応性の低い物質である(そのため鉱物として広く分布している)。シリカは化学反応における不活性容器としてよく用いられる。高温下では、炭素による還元反応によってケイ素に変化する。
フッ素は 二酸化ケイ素と反応してSiF 4 と O 2 を生成するが、他のハロゲンガス (Cl 2 、Br 2 、I 2 ) は反応しない。[ 15 ]
ほとんどの形態の二酸化ケイ素は、フッ化水素酸 (HF)によって攻撃(「エッチング」)されて、ヘキサフルオロケイ酸 を生成します。[ 12 ]
SiO₂ + 6 HF → H₂SiF₆ + 2 H₂O スティショバイトは HFとほとんど反応しない。[ 65 ] HFは半導体産業で二酸化ケイ素を除去したりパターン化したりするために使用される。
二酸化ケイ素は、特定の条件下で塩基と反応できるLux–Flood酸として作用します。水素を含まないため、非水和シリカは直接 ブレンステッド–ローリー酸として作用することはできません。二酸化ケイ素は、低pHまたは中性 pH では水に溶けにくいですが(通常、石英 の場合は2×10⁻⁴ M 、 隠微結晶質 玉髄 の場合は最大10⁻³ M ) 、強塩基はガラスと反応して容易に溶解します。そのため、強塩基は、ボトルキャップの詰まりを防ぎ、容器の完全性を維持し、ケイ酸アニオンによる望ましくない汚染を避けるために、プラスチックボトルに保管する必要があります。[ 66 ]
二酸化ケイ素は、この理想化された式で説明されているように、高温の濃アルカリまたは溶融水酸化物に溶解します。[ 15 ]
SiO 2 + 2 水酸化ナトリウム ⟶ ナ 2 SiO 3 + H 2 O {\displaystyle {\ce {SiO2 + 2 NaOH -> Na2SiO3 + H2O}}} 二酸化ケイ素は、塩基性金属酸化物(例えば、酸化ナトリウム 、酸化カリウム 、酸化鉛(II) 、酸化亜鉛 、または酸化物の混合物)を中和し、シリカ中の Si-O-Si 結合が順次切断されることでケイ酸塩 やガラスを形成します。[ 12 ] 例えば、酸化ナトリウムと SiO2 の反応では、 反応物の割合に応じて、オルトケイ酸ナトリウム 、ケイ酸ナトリウム、およびガラスが生成されます。 [ 15 ]
2 ナ 2 O + SiO 2 ⟶ ナ 4 SiO 4 ; {\displaystyle {\ce {2 Na2O + SiO2 -> Na4SiO4;}}} ナ 2 O + SiO 2 ⟶ ナ 2 SiO 3 ; {\displaystyle {\ce {Na2O + SiO2 -> Na2SiO3;}}} ( 0.25 − 0.8 ) {\displaystyle (0.25-0.8)} ナ 2 O + SiO 2 ⟶ ガラス {\displaystyle {\ce {Na2O + SiO2 -> ガラス}}} 。このようなガラスの例としては、ソーダ石灰ガラス 、ホウケイ酸ガラス 、鉛ガラス など、商業的に重要なものがある。これらのガラスでは、シリカはネットワーク形成剤または格子形成剤と呼ばれる。[ 12 ] この反応は、高炉でも使用され、 酸化カルシウムで中和して ケイ酸カルシウム スラグ を形成することにより、鉱石中の砂の不純物を除去する。
高純度シリカで構成された光ファイバー の束 二酸化ケイ素は、窒素雰囲気 下で加熱還流すると、 エチレングリコール とアルカリ金属 塩基と反応して、反応性の高い五配位 ケイ酸塩を生成し、これによりさまざまな新しいケイ素化合物へのアクセスが可能になります。[ 67 ] ケイ酸塩は、メタノールを 除くすべての極性溶媒 に基本的に不溶です。
二酸化ケイ素は高温で元素状ケイ素と反応してSiOを生成する。[ 12 ]
SiO 2 + Si ⟶ 2 SiO {\displaystyle {\ce {SiO2 + Si -> 2 SiO}}}
水への溶解度 「溶解度は200℃以下の温度ではほぼゼロであり、360℃で水100部あたりシリカ0.20部まで増加する。」[ 68 ]
二酸化ケイ素の水への溶解度は結晶形に大きく依存し、非晶質シリカの場合は石英の 3 ~ 4 倍高くなります。温度の関数として、溶解度は340 °C (644 °F) 付近でピークに達します。[ 69 ] この性質は、上部が低温の圧力容器内で天然石英を過熱水に溶解させる水熱プロセスで石英の単結晶を成長させるために利用されます。0.5 ~ 1 kg の結晶を 1 ~ 2 か月で成長させることができます。[ 12 ] これらの結晶は、電子機器用途に使用される非常に純粋な石英の供給源です。[ 15 ] 水の臨界温度 647.096 K (373.946 °C; 705.103 °F) および圧力22.064 メガパスカル (3,200.1 psi) 以上では、水は超臨界流体となり、溶解 度は低温の場合よりも再び高くなります。[ 70 ]
健康への影響 商業用ガラス製造の主原料としての石英砂(シリカ) マクマスター大学で行われた2024年の研究では、経口摂取による二酸化ケイ素への長期曝露が免疫細胞の機能を著しく変化させることが示されました[ 71 ]。 一方、15年間被験者を追跡した2008年の研究では、水中のシリカ濃度が高いほど認知症 のリスクが低下することが示され、飲料水中のシリカが1日あたり10mg増加すると 認知症のリスクが11%減少することが報告されました[ 72 ] 。
微細な結晶性シリカ粉塵を吸入すると、粉塵が肺に付着して組織を継続的に刺激し、肺活量を低下させるため、珪肺症 、気管支炎 、または肺がんを引き起こす可能性があります。 [ 73 ] 微細なシリカ粒子を十分な量吸入すると(職業上の曝露など)、一般人口の予想率と比較して、ループス [ 74 ] や関節リウマチ などの全身性自己免疫疾患のリスクが高まります。 [ 75 ]
職業上の危険 シリカは、サンドブラスト 作業や粉末状の結晶性シリカ製品を扱う作業を行う人にとって職業上の危険物です。ヒュームドシリカなどの非晶質シリカは、場合によっては不可逆的な肺損傷を引き起こす可能性がありますが、珪肺症の発症とは関連していません。子供、あらゆる年齢の喘息患者、アレルギー 患者、高齢者(いずれも肺活量が 低下している)は、より短期間で影響を受ける可能性があります。[ 76 ]
結晶性シリカは、石材カウンター トップの切断と設置の過程で大量のシリカが空気中に飛散するため、石材カウンタートップを扱う作業員にとって職業上の危険物である。 [ 77 ] 水圧破砕 に使用される結晶性シリカは、作業員に健康被害をもたらす。[ 34 ]
SiO₂は 、他のほとんどの物質よりも多くの結晶形で存在します。これらの形は多形 と呼ばれます。
その他の名前 この拡張リストは二酸化ケイ素の同義語を列挙しています。これらの値はすべて単一の情報源からのものです。情報源の値はすべて大文字で表示されています。[ 103 ]
CAS番号 112945-52-5 アチセル アエロシル 非晶質シリカ粉塵 アクアフィル CAB-O-GRIP II キャブ・オ・シル キャブ・オ・スパース カタログ コロイド状シリカ [ 104 ] コロイド状二酸化ケイ素 ディカライト DRI-DIE殺虫剤67 フローガード 化石粉 ヒュームドシリカ ヒュームド二酸化ケイ素 ハイセル LO-VEL ルドックス ナルコアグ ニャコル サントセル シリカ シリカエアロゲル シリカ、非晶質 無水ケイ酸 シリキル 合成非晶質シリカ ブルカシル
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