Siliciumdioxide
Siliciumdioxide of silica is het bekendste oxide van silicium en heeft als molecuulformule SiO2. De zuivere stof komt voor als een wit kristallijn poeder, dat vrijwel onoplosbaar is in water.
Siliciumdioxide
| ||||
Structuurformule en molecuulmodel | ||||
Zuiver siliciumdioxide-poeder | ||||
Algemeen | ||||
Molecuulformule (uitleg) | SiO2 | |||
IUPAC-naam | siliciumdioxide | |||
Andere namen | silica, silicium(IV)oxide, kwarts | |||
Molmassa | 60,0843 g/mol | |||
SMILES | O=[Si]=O | |||
InChI | 1S/O2Si/c1-3-2 | |||
CAS-nummer | 14808-60-7 | |||
PubChem | 24261 | |||
Beschrijving | Witte kristallen | |||
Waarschuwingen en veiligheidsmaatregelen | ||||
H-zinnen | H373 | |||
EUH-zinnen | geen | |||
P-zinnen | geen | |||
Carcinogeen | mogelijk | |||
MAC-waarde | 0,15 mg/m³ | |||
Fysische eigenschappen | ||||
Aggregatietoestand | vast | |||
Kleur | wit | |||
Dichtheid | 2,648 g/cm³ | |||
Smeltpunt | 1710 °C | |||
Kookpunt | 2230 °C | |||
Oplosbaarheid in water | 0,079 g/l | |||
Onoplosbaar in | water | |||
Brekingsindex | 1,458 (589 nm, 20 °C) | |||
Thermodynamische eigenschappen | ||||
ΔfH | −911 kJ/mol | |||
S | 42 J/mol·K | |||
Waar mogelijk zijn SI-eenheden gebruikt. Tenzij anders vermeld zijn standaardomstandigheden gebruikt (298,15 K of 25 °C, 1 bar). | ||||
|
Samen met water vormt siliciumdioxide kiezelzuur (hoewel dat proces uiterst langzaam verloopt).
Voorkomen
In de natuur komt siliciumdioxide in diverse vormen voor, zowel in kristallijne als niet-kristallijne (amorfe) vorm. Siliciumdioxide is de meest voorkomende siliciumverbinding en ook het hoofdbestanddeel van de aardkorst, hetzij in vrije vorm als kwarts of als onderdeel van silicaten zoals in veldspaat en kleimineralen.
Niet-kristallijne (amorfe) vorm
Opaal is een voorbeeld van amorf silica, net als door hitte samengesmolten kwarts (kwartsglas). Siliciumdioxide komt vooral voor in zeer kleine deeltjes, als zand, dat voornamelijk uit kwarts bestaat. In amorfe vorm komt het ook in bepaalde planten in grote hoeveelheden voor. In de industrie wordt op grote schaal verschillende soorten amorf silica gemaakt en toegepast.
De niet-kristallijne (amorfe) vorm SiO2 komt in de natuur als onmisbaar bestanddeel voor bij:
- Biogeen: skeletten van stralendiertjes, Diatomeeën en glassponzen bestaande uit opaal, diagenetisch tot gesteente verstevigd, bijvoorbeeld radiolariet
- Geyseriet: amorfe sinterproducten van hete bronnen
- Tachyliet: vulkanisch glas basaltachtige samenstelling, dat naast SiO2 grotere gehalten aan FeO, MgO, CaO en Al2O3 bevat
- Obsidiaan: vulkanisch glas granietachtige samenstelling
- Tektiet: gesteenteglas ontstaan bij het smelten van gesteenten door meteorieteninslagen
- Lechatelieriet: zuiver natuurlijk SiO2-glas zoals in tektieten voorkomt of bij blikseminslagen in kwartszand waarbij fulguriet gevormd wordt
- Opaal
- SiO2-vloeibaar: bij temperaturen boven 1727 °C (bij 1 bar)
Kristallijne vorm
De volgende kristallijne vormen worden onderscheiden:.
- Moganiet (Chalcedoon):
- α-Kwarts: vormingsomstandigheden: temperatuur T < 573 °C, druk p < 20 kbar
- β-Kwarts: 573 °C < T < 867 °C, p < 30 kbar
- Tridymiet: 867 °C < T <1470 °C, p < 5 kbar
- Cristobaliet: 1470 °C < T < 1727 °C
- Coesiet: 20 kbar < p < 75 kbar
- Stishoviet: 75 kbar < p < ? kbar
Kiezelzuuranhydride
In de natuur komen ook ondersteuningsstructuren van kiezelzuuranhydride voor bij zowel planten als dieren. Voorbeelden bij dieren zijn de skeletten van stralendiertjes, diatomeeën en glassponzen. Voorbeelden bij planten zijn de paardenstaarten.
Synthese
Amorf (niet gehydrateerd) siliciumdioxide wordt industrieel bereid door verdampen van siliciumdioxide bij zeer hoge temperaturen of door oxidatie van silicium of siliciumverbindingen:
Het resultaat is een zeer volumineus en fijn verdeeld poeder. Gehydrateerd amorf siliciumdioxide wordt gemaakt in water, uit oververzadigde oplossingen van kiezelzuur. Afhankelijk van de condities ontstaat colloïdaal silica, als sol of gel, waaruit dan weer na droging geprecipiteerd siliciumdioxide gemaakt kan worden.
De oxidatie van silaan bij 450 °C levert zuiver siliciumdioxide:
Een alternatief is de thermolyse van tetraethylorthosilicaat bij 680–730 °C:
Toepassingen
De belangrijkste toepassing van siliciumdioxide ligt bij het produceren van glas. Glas ontstaat door een mengsel van zand en natriumcarbonaat te verhitten. Soms worden ook andere oxiden (zoals ijzer(II)oxide, aluminiumoxide, lood(II)oxide of zinkoxide) toegevoegd om bepaalde eigenschappen aan het glas te geven. Omdat siliciumdioxide in een "allotrope = polymorfe = meervormige" toestand voorkomt, kan het ook geschikt gemaakt worden voor zonnepanelen.
Siliciumdioxide is een belangrijk ingrediënt van Portlandcement. De hittebestendige keramische tegels op de onderkant van de spaceshuttles bestaan ook hoofdzakelijk uit dit materiaal.
Het mineraal heeft E-nummer E551, omdat het in de voedselindustrie onder andere als anti-klontermiddel wordt toegepast en ook als klaringsmiddel om de troebelheid in wijn en bier te verhelpen.
Silicagel is geen zuiver siliciumdioxide, maar wordt gemaakt door aanzuring van siliciumdioxide en natriumcarbonaat. Het heeft tal van toepassingen: het wordt veelvuldig gebruikt als droogmiddel (in poreuze zakjes bijgevoegd bij elektronische apparatuur, geneesmiddelen of droge voeding), als bindmiddel in tabletten, als schuurmiddel in tandpasta (net zoals titanium(IV)oxide) en als dragermateriaal voor katalysatoren. Het wordt eveneens aangewend in de chromatografie.
Siliciumdioxide vormt een bestandsdeel van veel moderne en hoogwaardige autowasmiddelen. Het geeft de lak glans en een hydrofobische eigenschap.
Chromatografie
Bij chromatografie worden speciale vormen van siliciumdioxide gebruikt. In veruit het grootste deel van de HPLC wordt silicagel gebruikt als stationaire fase, al dan niet gemodificeerd. Een typische chromatografische kolom bevat een dichte pakking van kleine zeer poreuze silicadeeltjes (met een diameter tussen 2 en 5 µm). Deze deeltjes hebben dus een zeer groot oppervlak waardoor de interactie tussen kolom en te scheiden mengsel groot is en waardoor een scheiding beter verloopt. Bovendien leiden kleinere deeltjes tot minder eddy-diffusie en dus minder piekverbreding.
Ongemodificeerd siliciumdioxide is een zeer polair materiaal. Specifieke karakteristieken van een silicagel hangen af van verscheidene parameters:
- Interne structuur (gewoonlijk bevatten silicagelen die in HPLC gebruikt worden 5 silanolgroepen per nm2).
- Grootte van de deeltjes
- Porositeit en specifiek oppervlak
- Chemische modificatie van het oppervlak (zoals de aanwezigheid van apolaire alkylgroepen)
Toxicologie en veiligheid
Inademing van kristallijn siliciumdioxide-poeder kan leiden tot stoflongen. Naar oordeel van IARC (International Agency for Research on Cancer) is kristallijn siliciumdioxide kankerverwekkend, hoewel er nog verschil van mening bestaat over de vraag of daarvoor wel of niet eerst longfibrose (stoflong) nodig is. Voor zover bekend veroorzaken de amorfe vormen van siliciumdioxide deze gezondheidseffecten niet. Niettemin moet inademing van amorf siliciumdioxide stof evengoed vermeden worden vanwege de acute irritatie en ontsteking van de luchtwegen die het kan veroorzaken.
Literatuur
- (en) R.K. Iler, The Chemistry of Silica - ISBN 0-471-02404-X
Externe links
- (en) Gegevens van Siliciumdioxide in de GESTIS-stoffendatabank van het Duitse Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA) (JavaScript vereist)
- (en) MSDS van siliciumdioxide