خواص سیلیکون دی اکسید

 

سیلیکون دی اکسید که به عنوان سیلیکا نیز شناخته می شود، یک جزء مهم شن و ماسه می باشد. با این حال، این ماده به اشکال مختلف دیگر نیز یافت شده است. در این مقاله، ما به بررسی خواص فیزیکی و شیمیایی سیلیکون دی اکسید خواهیم پرداخت و اطلاعاتی نیز در رابطه به ساختار مولکولی آن به دست می آوریم.
همه ی ما بازدید از سواحل شنی در دوران کودکی را به یاد داریم. ما از شن و ماسه برای خلق قلعه ها استفاده می کردیم. اما آیا تاکنون به این فکر کرده اید که شن ممکن است در سطح مولکولی شبیه چه ماده ای باشد؟ اگر ما شن را سوزانده و یا آن را در یک اسید یا بار قوی حل کنیم چه اتفاقی می افتد؟ اگر این سوالات حس کنجکاوی شما را تحریک کرده است، پس اطلاعات موجود در این مقاله که در رابطه با برخی خواص سیلیکون دی اکسید و چگونگی این خواص که باعث می شود آن ها در جهات مختلف در زندگی ما مفید باشند، را مطالعه کنید.
سیلیکون دی اکسید به طور عمده به دو شکل در طبیعت یافت می شود: بلورین و آمورف. سیلیکا یک جزء از سنگ های قیمتی بوده و بقایای این ترکیب در سنگ های آتشفشانی نیز یافت می شود. این ماده فراون ترین ترکیب سیلیکونی یافت شده در پوسته ی زمین می باشد و یکی از رایج ترین اکسیدهای یافت شده است. سیلیکا در ماسه ی خالص آمورف بوده، در حالی که کوارتز نمونه ای از سیلیکای بلورین می باشد.
مقدمه ای بر خواص سیلیکون دی اکسید
در این جا در رابطه با ساختار مولکولی، خواص فیزیکی و شیمیایی و مصارف سیلیکون دی اکسید مطالبی را یاد می گیریم.
ساختار مولکولی سیلیکون دی اکسید
سیلیکا در طبیعت در بیش از 13 ساختار مختلف رخ می دهد، هر کدام تا حدی از دیگری متفاوت است. خواص فیزیکی ممکن است متفاوت باشد، اما خواص شیمیایی آن ها به همان صورت باقی می ماند. به منظور به دست آوردن درک بهتر بسیاری از خواص آن ها، مهم است که یک ایده ی اولیه درباره ی ساختار مولکولی این سیلیکون داشته باشیم.
هنگامی که سیلیکون در معرض اکسیژن اتمسفری قرار می گیرد، سیلیکون دی اکسید تشکیل می شود. اگر شما به مدل اتمی سیلیکون دی اکسید نگاه کنید، خواهید دید که چهار اتم اکسیژن دور از اتم سیلیکون در مرکز قرار دارند، که با مولکول ها تشکیل یک ساختار چهار وجهی را می دهند. در این جا برخی حقایق درباره ی ساختار مولکولی سیلیکون دی اکسید وجود دارد.
زاویه ی تشکیل شده بین هر پیوند -O-Si-O-، 5/109 درجه می باشد. با این حال، در کوارتز، این زاویه حدود 144 درجه می باشد.
یک توزیع بار ناهمگن بین بخش های چهار ظلعی با گوشه ای بسیار مثبت و گوشه ی دیگر بسیار منفی وجود دارد. این امر به دلیل قطبیت قوی پیوند Si-O می باشد.
در حالت گازی، ساختار سیلیکون دی اکسید به حالت مولکول های خطی O=Si=O می باشد.
هر چهار ظلعی SiO4 با چهار ظلعی های مجاور خود در گوشه ها متصل بوده و تشکیل یک ساختار سه بعدی را می دهد.
پل تشکیل شده توسط اتم های اکسیژن بین اتم های سیلیکون در مجاورت چهار ظلعی ها مسئول برخی خواص منحصر به فرد سیلیکون دی اکسید می باشد.
شکل چهار ظلعی مسئول سفتی مولکول سیلیکون دی اکسید می باشد. طول پیوند Si-O، 16/0 نانومتر می باشد.
شما ممکن است تعجب کنید که چرا فرمول کولکولی سیلیکون دی اکسید SiO2 می باشد، هنگامی که ساختار آن چهار اتم اکسیژن در اطراف هر اتم سیلیکون را نشان می دهد. دلیل این امر هر چهار ظلعی منفرد از چهار اتم اکسیژن آن با چهار ظلعی مجاور مشارکت داشته که فرمول شیمیایی خالص SiO2 را ایجاد می کند. علاوه بر کوارتز، بسیاری اشکال بلورین دیگر از سیلیکون دی اکسید تحت شرایط دما و فشار مختلف در طبیعت وجود دارد. در شرایط دمای بالا، سیلیکا به فرم تریدیمیت و کریستوبالیت یافت می شوند، در حالی که در مناطقی با فشار بالا، این ماده به شکل سفرتیت و کوئستیت یافت می شوند.
خواص فیزیکی
به واسطه ی ساختار چهار ظلعی، نقطه ی ذوب سیلیکون دی اکسید بسیار بالاست. پیوندهای کوالانسی قوی سیلیکون – اکسیژن در دماهای بسیار بالا، نزدیک به 1700 درجه سانتی گراد شکسته می شوند. همچنین، سیلیکون دی اکسید بسیار سفت و محکم می باشد و این امر به واسطه ی پیوند کوالانسی قوی بین سیلیکون و اکسیژن می باشد. به واسطه ی عدم وجود الکترون های آزاد در ساختار مولکولی، سیلیکون دی اکسید یک هادی الکتریکی بسیار بد می باشد و به عنوان یک عایق عمل می کند. سیلیکون دی اکسید در آب و در همه ی حلال های آلی نامحلول می باشد. با این حال، این ماده در مواد قلیایی و هیدرو فلوریک اسید قابل حل می باشد. جدول زیر برخی از خواص فیزیکی سیلیکون دی اکسید در هر دو فرم بلورین و آمورف را ذکر کرده است.

خواص فیزیکی	واحد	سیلیکای بلورین	سیلیکای آمورف
نقطه ی ذوب	درجه سیلسیوس	1700	1700
چگالی	گرم بر سانتی متر مکعب	6/2	2/2
شاخص انکسار	-	46/1	46/1
مقاومت ویژه	اهم – سانتی متر	1016 - 1012	بیشتر از 1018
هدایت گرمایی	ولت بر متر	3/1	4/1
نسبت پواسون	-	17/0	165/0
ضریب انبساط گرمایی	کلوین	7-10 × 64/7	7- 10 × 4/5

خواص شیمیایی
سیلیکون دی اکسید با تعداد کمی از مواد واکنش می دهد. در این جا برخی از واکنش های رایج سیلیکون دی اکسید و محصولات تشکیل شده توسط هر یک از آن ها را ذکر می کنیم.

ماده ی واکنش دهنده	شرایط واکنش	محصول اصلی تشکیل شده
مواد قلیایی قوی مانند سدیم هیدروکسید و پتاسیم هیدروکسید	سیلیکون دی اکسید بلورین بسیار آرام در محلول های قلیایی داغ حل شده، در حالی که فرم آمورف ان با مواد قلیایی در دمای اتاق واکنش می دهد.	سیلیکات های پتاسیم یا سدیم
هیدروفلئوریک اسید	کوارتز با اسیدهای دیگر واکنش نمی دهد، اما در هیدروفلئوریک اسید حل شده و در دمای اتاق واکنش رخ می دهد.	هیدروفلئوریک اسید
سدیم کربنات و پتاسیم کربنات	سیلیکون دی اکسید با کربنات های ذوب شده ی سدیم و پتاسیم واکنش می دهد.	سیلیکات های سدیم و پتاسیم
کلسیم کربنات	در دمای بسیار بالا، تا بالای 600 درجه سانتی گراد کوارتز با مواد قلیایی مانند لیمستون یا کلسیم کربنات واکنش می دهد.	سیلیکات کلسیم، معمولا به عنوان 'وولستونایت‌' شناخته می شود.
کربن	سیلیکای طبیعی یا کوارتز با کربن در دمای حدود 2000 درجه سانتی گراد به منظور تشکیل سیلیکا واکنش می دهد. این واکنش برای به دست آوردن سیلیکون از سنگ معدنی استفاده می شود.	سیلیکون
آب	تحت شرایط دما و فشار بالا، سیلیکا توسط آب به شکل هیدروکسید سیلیکون در آمده که بسیار ناپایدار می باشد.	سیلیکون هیدروکسید

مصارف سیلیکون دی اکسید
یکی از رایج ترین استفاده های سیلیکون دی اکسید در غذا می باشد، که به عنوان یک ماده ی افزودنی به مواد غذائی استفاده می شود. در زیر برخی از کاربردهای مهم دیگر سیلیکون دی اکسید را عنوان می کنیم.
کوارتز در صنعت شیشه به عنوان یک ماده ی خام برای تولید شیشه مورد استفاده قرار می گیرد.
سیلیکا به عنوان یک ماده ی خام بری تولید بتن استفاده می شود.
سیلیکا به دلیل سختی و مقاومت آن در برابر خراش به لاک اضافه می شود.
سیلیکای آمورف به عنوان پرکننده به لاستیک در طول ساخت تایرها افزوده می شود.
این ماده به کاهش مصرف سوخت خودرو کمک می کند.
سیلیکا در تولید سیلیکون کاربرد دارد.
با توجه به این واقعیت که سیلیکا یک عایق خوب است، از این ماده به عنوان ماده ی پر کننده در مدارهای الکتریکی استفاده می شود.
از این ماده برای ساخت فیبرهای نوری استفاده می شود.
به واسطه ی توانایی جذب رطوبت، سیلیکا به عنوان یک خشک کن کاربرد دارد.
سیلیکون دی اکسید رایج ترین اکسید یافت شده در کره ی زمین می باشد. امید است که این مقاله به شما در درک خواص سیلیکون دی اکسید کمک کرده باشد.