khimie.ru

Диоксид кремния SiO₂ встречается в природе в трех различных кристаллических формах: в видекварца, тридимита  и  кристобалита. Кроме того, содоржащая воду (в форме геля), она существует в виде опала, а также в землистой форме как кизельгур.

Кварц − кристаллическая форма диоксида кремния, устойчивая при температуре ниже 870 °С. В интервале температур 870 и 575 °С кварц принадлежит к трапецоэдрической гемиэдрии гексагональной системы; ниже 575°С к трапецоэдрической гемиэдрии тригональной системы. Нередко кварц встречается в форме чрезвычайно хорошо образованных кристаллов, иногда значительной величины. Кварц обладает двойным лучепреломлением. Он истречается в двух формах, из которых одна вращает плоскость поляризации вправо, другая − влево. Поэтому различают левый и правый кварц.

Разновидности кварца: горный хрусталь прозрачный как вода; дымчатый кварц (называемый также дымчатым топазом) темно-коричневый; морион черный; цитрин желтый; розовый кварц; хризопраз цвета зеленого лука; аметист (большей частью) фиолетовый. Как драгоцеипый камень особенно часто используют аметист в виде очень прозрачных кристаллов. Кварц принадлежит к числу чрезвычайно распространенных минералов. Очень часто он встречается в качестве составной части изверженных горных пород (гранита, порфира, липарита) и кристаллических сланцев (гнейса, слюдяного сланца). Среди осадочных пород из прозрачных зернышек кварца состоят песчаник и кварцит, а такжо некоторые носки (кварцевый песок).

Тридимит является стабильной модификацией кристаллического диоксида кремния в интервале температур 870−1470 °С; однако он встречается также и при обычной температуре, но в метастабильной форме. Эта форма диоксида кремния тоже часто встречается в природе как в метеоритах, так и в горных породах, однако в очень небольших количествах.

Но она представляет интерес, поскольку ее присутствие в горных породах может дать сведения об истории их возникновения.

Кристобалит (названный по имени горы San Сristobal в Мексике) представляет собой форму диоксида кремния, устойчивую выше 1470 °С и до температуры плавления. Ниже точки превращения в отсутствие ускоряющих превращение растворителей кристобалит метастабилен. В природе он иногда встречается в виде мелких, кристалликов, включенных в лаву. В общем его месторождения подобны месторождениям тридимита.

Диоксид кремния в форме кристобалита плавится при 1705 °С. Кварц плавится приблизительно на 150 °С ниже. Охлажденный плав остается в стекловидном аморфном состоянии. Стекловидный диоксид кремния при обычной температуре также метастабильный. При продолжительном и сильном нагревание происходит медленная кристаллизация («расстекловывание»). В связи со сказанным выше вполне понятно, почему в отсутствие минерализаторов кристаллизация приводит к образованию кристобалита.

Как показали рентгеновские исследования, аморфный застывшый в виде стекла диоксид кремния (кварцевое стекло) построен не из молекул SiO₂, а из атомов Si, связанных через атомы О таким образом, что образуется сетчатая структура. Она состоит из атомов кислорода, расположенных в виде тетраэдров вокруг каждого атома кремния; как и в кристаллических модификациях, тетраэдры имеют общие углы. Однако в кварцевом стекле тетраэдры SiO₄ расположены не закономерно, как в кристаллических модификациях, а совершенно беспорядочно. Кварцевое стекло обладает чрезвычайно малым коэффициентом расширения, который при 100 °C равен 5,85∙10^-7, при 500 °C 6,2∙10^-7 и при 1000 ºC 5,45∙10^-7.

Обезвоживанием осажденных из водных растворов кремневых гелей можно получить аморфный диоксид кремния в виде белого порошка. Однако полное обезвоживание происходит с большим трудом. В природе диоксид кремния встречается в обезвоженной форме в виде кизельгура. Он состоит из остатков кремневых панцырей «инфузорий» (диатомовых водорослей), живших в глубокой древности, и поэтому называется также инфузорной землей. Он обладает исключительной способностью впитывать жидкости и поэтому его применяют в качестве упаковочного материала для баллонов с кислотами. Пропитыванием кизельгура нитроглицерином (причем кизельгур может впитать тройное количество нитроглицерина по сравпению с собственным весом) получают гурдинамит. Ввиду высокой теплоизоляционной способности кизельгур применяют для обкладки паровых труб. Кроме того, его используют в качестве звукоизоляционных покрытий, а также для многих других целей.

В форме компактных ксеровелей диоксид кремния встречается в природе в виде минерала опала. Красивые экземпляры его используют в качестве драгоценных камней.

Осажденный обычным образом диоксид кремния и ее гели, в общем, не дают рентгеновской интерференции, которая указывала бы на кристаллическую структуру. То же относится и к опалам, образующимся при обычной температуре при выделении SiO₂ из воды. Напротив, образованные из горячих магматических вод опалы в зависимости от их происхождения показывают интерференцию, характерную для кристобалита или для кварца.

Халцедон − это минерал, возникший в результате старения опала. В соответствии с этим он беднее водой, чем опал (часто совершенно безводный), и уже обычными средствами можно обнаружить его кристаллическую структуру. Под микроскопом, особенно в поляризованном свете видно его волокнистое строение. Разновидностями халцедона является агат, оникс, карнеол, гелиотроп и яшма, используемые в качестве драгоценных камней, а также кремень, который служил в каменном веке для изготовления инструментов и оружия, а позднее для добывания огня. В настоящее время его также применяют, например, в шаровых мельницах и в керамике. Окраска этих минералов вызывается незначительными примесями, присутствующими в них; так, кремень окрашен в черный цвет примесью угля.

Аморфный диоксид кремния (как осажденный в виде порошка, так и стекловидный) полностью переходит в кварц при многодневном нагревании при 400−500 °С в автоклавах с раствором карбоната натрия. То же относится к тридимиту и кристобалиту.

Диоксид кремния с химической точки зрения представляет собой чрезвычайно устойчивое вещество. Из кислот его может растворять только плавиковая, вступающая с диоксидом кремния во взаимодействие с образованием тетрафторида кремния или кремнефтористоводородной кислоты. В воде диоксид кремния практически нерастворим. Являясь ангидридом кремневой кислоты, он легко переходит в силикат при сплавлении со щелочами:

SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O

Аналогичным образом он реагирует при сплавлении с карбонатами щелочных металлов, выделяя при этом диоксид углерода:

SiO₂ + Na₂СО₃ → Na₂SiO₃ + СO₂.

Аморфный диоксид кремния можно легко перевести в раствор кипячением с растворами гидроксидов или карбонатов щелочных металлов; при этом образуются растворимые в воде силикаты щелочных металлов.

Диоксид кремния в виде кварцевого песка находит самое широкое применение. В строительном деле его добавляют в известковый раствор и примешивают к цементу. Самый чистый кварцевый песок применяют в стекольном и фарфоровом производствах. Из спеченного при высокой температуре кварца (при этом перешедшего в кварцевое стекло) изготовляют химическую посуду, исключительно устойчивую к резким изменениям температуры (вследствие очень малого коэффициента расширения кварцевого стекла) и выдерживающую нагревание до очень высоких температур. Еще в большей степени это относится к совершенно прозрачной посуде, изготовленной из полностью расплавленного кварца. Однако при работе с такой посудой следует учитывать чувствительность кварцевого стекла к щелочам. Раньше одна из главных трудностей при работе с кварцевым стеклом заключалась в том, чтобы при тех высоких температурах (иблизи точки плавления кварца), при которых должно проводиться выдувание этих приборов, предотвратить кристаллизацию, вызываемую следами щелочей. Для этого достаточно уже тех ничтожных количеств, которые можно нанести на материал, дотронувшись до него перед плавлением и выдуванием потной или сальной рукой. Постепенная кристаллизация кварцевого стекла наступает также при работе с кварцевыми изделиями. «Расстекловывание» (помутнение) наступает тем быстрее, чем выше температуры, которым подвергалось кварцевое стекло в процессе работы. Прозрачный горный хрусталь применяют для изготовлепия оптических приборов и украшений. Как было указано ранее, для украшений применяют также и некоторые упомянутые выше разновидности кварца.