Szilícium-dioxid

Szilícium-dioxid
Tábornok
Szisztematikus név	szilícium-oxid (IV).
Hagyományos nevek	szilícium-dioxid; szilícium-dioxid
Chem. képlet	SiO2_ _
Megjelenés	E551 - gömb alakú nanorészecskék formájában, 20-60 nm méretű
Fizikai tulajdonságok
Moláris tömeg	60,0843 g/ mol
Sűrűség	1,96-2,6 g/cm³
Fajlagos elektromos ellenállás	10¹¹-10¹3 ohm m
Termikus tulajdonságok
Hőfok
•  olvadás	1600 °C
•  forralás	2950 °C
Gőznyomás	0 ± 1 Hgmm
Osztályozás
Reg. CAS szám	7631-86-9
PubChem	24261
Reg. EINECS szám	231-545-4
MOSOLYOK	O=[Si]=O
InChI	InChI=1S/O2Si/c1-3-2VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N
Codex Alimentarius	E551
RTECS	VV7565000
CHEBI	30563
ChemSpider	22683
Biztonság
Korlátozza a koncentrációt	3 mg/m³
LD 50	3500 mg/kg
Toxicitás	nanorészecskék formájában mérgező (E551, aerosil), nap adag az embereknek - 1 mg/kg
EKB ikonok
NFPA 704	0 0 0
Az adatok standard körülményeken (25 °C, 100 kPa) alapulnak, hacsak nincs másképp jelezve.
Médiafájlok a Wikimedia Commons oldalon

Szilícium-dioxid ( szilícium -dioxid , SiO 2 ; lat.  szilícium -dioxid ) - szilícium -oxid (IV). Színtelen kristályok , vízben gyakorlatilag nem oldódnak, nagy keménységgel és szilárdsággal rendelkeznek .

A szilícium-dioxid szinte minden szárazföldi kőzet fő összetevője , különösen a kovaföldben . A szilícium-dioxid és a szilikátok a litoszféra tömegének 87%-át teszik ki . Az emberi vérben és plazmában a szilícium-dioxid koncentrációja 0,001 tömeg% [1] .

Tulajdonságok

• A savas oxidok csoportjába tartozik .
• Melegítéskor kölcsönhatásba lép bázikus oxidokkal és lúgokkal.
• Moláris tömeg: 60,084 g/mol
• Reagál hidrogén-fluoriddal .
• A SiO 2 az üvegképző oxidok csoportjába tartozik, vagyis hajlamos túlhűtött olvadéküveg képződésére .
• Dielektromos ( az elektromos áram nem vezet, ha nincs szennyeződése és nem melegszik fel).

Polimorfizmus

A szilícium-dioxidnak számos polimorfja van .

A Föld felszínén leggyakrabban előforduló - α - kvarc  - trigonális szingóniában kristályosodik . Normál körülmények között a szilícium-dioxid leggyakrabban az α-kvarc polimorf módosulatában található, amely +573 ° C feletti hőmérsékleten reverzibilisen β-kvarczá alakul. A hőmérséklet további emelkedésével a kvarc tridimitté és krisztobalittá változik . Ezek a polimorfok magas hőmérsékleten és alacsony nyomáson stabilak.

Formák a természetben is megtalálhatók - opál , kalcedon , kvarcin , lutecit , autentikus kvarc , amelyek a szilícium-dioxid csoportba tartoznak. Az opál (SiO 2 · n H 2 O) vékony metszetében színtelen, izotróp , negatív domborzatú, tengeri tározókban rakódik le, és sok kovás kőzet része. A kalcedon, a kvarcin, a lutecit - SiO 2  - a kvarc kriptokristályos fajtái. Rostos aggregátumokat, rozettákat, szferulitokat képeznek, színtelenek, kékesek, sárgásak. Egyes tulajdonságokban különböznek egymástól - kalcedonnál és kvarcinnál - közvetlen kioltás, lutecitnál - ferde, kalcedonnál - negatív nyúlás.

Magas hőmérsékleten és nyomáson a szilícium-dioxid először koezitté alakul (amit 1953-ban állított elő Loring Coes amerikai kémikus), majd stisovittá (amit 1961-ben S. M. Stishov állított elő , és 1962-ben fedezték fel a Barringer kráterben . az arizonai meteorit krátere) [2] [3] .Egyes tanulmányok szerint[ mi? ] , a köpeny jelentős részét a stishovit teszi ki , így arra a kérdésre, hogy melyik típusú SiO 2 a leggyakoribb a Földön, még nincs egyértelmű válasz.

Amorf módosított kvarcüveggel is rendelkezik .

Kémiai tulajdonságok

A szilícium-dioxid SiO 2  egy savas oxid, amely nem lép reakcióba vízzel.

Kémiailag savakkal szemben ellenálló, de reagál hidrogén - fluorid gázzal :

és hidrogén-fluorsav :

Ezt a két reakciót széles körben használják üveg olvasztására.

Amikor a SiO 2 -t lúgokkal és bázikus oxidokkal, valamint aktív fémek karbonátjaival olvasztják össze , szilikátok képződnek - nagyon gyenge, vízben oldhatatlan xH 2 O ySiO 2 általános képletű kovasavak sói, amelyek nem rendelkeznek állandó összetételű. (elég gyakran nem kovasavakat említ a szakirodalom, hanem kovasavat, bár valójában ugyanarról az anyagról beszélünk).

Például nátrium-ortoszilikát készíthető :

kalcium-metaszilikát :

vagy vegyes kalcium-nátrium-szilikát:

Az ablaküveg Na 2 CaSi 6 O 14 szilikátból (Na 2 O CaO 6SiO 2 ) készül .

A legtöbb szilikátnak nincs állandó összetétele. Az összes szilikát közül csak a nátrium- és kálium-szilikát oldódik vízben. Ezen szilikátok vizes oldatait folyékony üvegnek nevezzük. A hidrolízis miatt ezeket az oldatokat erősen lúgos környezet jellemzi. A hidrolizált szilikátokra jellemző, hogy nem valódi, hanem kolloid oldatok képződnek. A nátrium- vagy kálium-szilikátok oldatának savanyítása során hidratált kovasavak zselatinos fehér csapadéka válik ki.

Mind a szilícium-dioxid, mind az összes szilikát fő szerkezeti eleme a [SiO 4/2 ] csoport, amelyben a Si szilícium atomot négy O oxigénatomból álló tetraéder veszi körül, minden oxigénatom két szilícium atomhoz kapcsolódik. A [SiO 4/2 ] töredékei különböző módon kapcsolhatók egymáshoz. A szilikátok közül a bennük lévő [SiO 4/2 ] fragmentumok kötési jellege szerint megkülönböztetünk szigetet, láncot, szalagot, réteges, vázat és egyebeket.

Különleges körülmények között kölcsönhatásba lép a vízzel.

Az oxidáló tulajdonságok nem jellemzőek, csak erős redukálószerekkel (szén, alumínium, magnézium, kalcium) való reakciók során jelentkeznek.

Getting

A szintetikus szilícium-dioxidot úgy állítják elő, hogy a szilíciumot +400…+500°C hőmérsékletre melegítik oxigénes atmoszférában, míg a szilíciumot SiO 2 -dioxiddá oxidálják . Valamint termikus oxidáció magas hőmérsékleten.

Laboratóriumi körülmények között szintetikus szilícium-dioxid állítható elő savakkal, még enyhe ecetsavval is , oldható szilikátokon. Például:

A kovasav azonnal vízzé és SiO 2 - re bomlik , ami kicsapódik .

Természetes szilícium-dioxidot homok formájában használnak ott, ahol nincs szükség az anyag nagy tisztaságára.

Alkalmazás

Az amorf, nem porózus szilícium-dioxidot az élelmiszeriparban segédanyagként ( E551 ) használják , amely megakadályozza a csomósodást és csomósodást, a gyógyszeriparban ( fogkrémekben ), a gyógyszeriparban segédanyagként (a legtöbb gyógyszerkönyvben szerepel ), szuszpenziók és linimentek stabilizálására. , kenőcsként sűrítő alapok, tabletták és kúpok töltőanyagai. A töltőanyagok összetételének része, csökkenti a száraz kivonatok higroszkóposságát, lassítja a biológiailag aktív anyagok felszabadulását a különböző dózisformákból; élelmiszer-adalékanyagként és szorbensként, valamint mátrixként a kívánt tulajdonságokkal rendelkező adagolási formák létrehozásához - mivel nincs kristályszerkezete (amorfén) [4] , valamint élelmiszer-adalékanyagként vagy gyógyszerként enteroszorbensként a Polysorb MP széles körű alkalmazási lehetőséggel , figyelembe véve a nagy fajlagos szorpciós felületet (300-400 m² tartományban) 1 g alapanyagra vonatkoztatva.

A szilícium-dioxidot üveg , kerámia , csiszolóanyagok , betontermékek gyártásában , szilícium előállítására használják, gumigyártásban töltőanyagként, szilícium-dioxid tűzálló anyagok gyártásában , kromatográfiában és egyebekben. A kvarckristályok
piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkeznek , ezért rádiótechnikában , ultrahangos eszközökben, öngyújtókban és orgonitok gyártásában használják őket .

Optikai kábelek gyártására is használják . Tiszta olvasztott szilícium-dioxidot használnak, néhány speciális összetevő hozzáadásával.

A szilikaszálat az elektronikus cigaretták fűtőelemeiben is használják, mivel jól felszívja a folyadékot, és nem esik össze a tekercs melegítése alatt.

Ezenkívül a szilícium-dioxid a legszélesebb körben alkalmazható az abroncsiparban, a gumiáruk és műanyagok gyártásában, a vegyiparban, a gépgyártásban és számos speciális műveletben:

• katalizátorok és növényvédő vegyszerek hordozójaként;
• szorbensként és szűrőporként olajtermékek regenerálására;
• kiváló minőségű folyasztószerként a színesfémkohászati ​​eljárásokban;
• nyersanyagként környezetbarát üveg, üvegtartály és kristály gyártásához;
• papír és karton töltőanyagaként higiénikusan tiszta csomagolóanyagok előállításához az élelmiszeripar számára;
• Szűrőporok sörhöz, olajokhoz, gyümölcslevekhez, mattító adalékok lakkban és festékekben;
• szilícium-karbid beszerzése a gépészetben - kerámiamotorok, repülőgép-épület-komplexum alkatrészek;
• kristályos szilícium előállításához az elektronikai és elektromos iparban, kerámia elektromos szigetelők, üvegszálak, száloptika, szupervékony szálak;
• mesterséges zeolitok szintéziséhez a petrolkémiában - olajkrakkolás és így tovább.

Féldrágakőként nagy átlátszó kvarckristályokat használnak ; a színtelen kristályokat hegyikristálynak , ibolya- ametisztnek , sárga- citrinnek nevezik .

A mikroelektronikában a szilícium-dioxid az egyik fő anyag. Szigetelő rétegként (például térhatású tranzisztorok kapudielektrikumként ), valamint védőbevonatként használják. Vékony filmek formájában nyerik szilícium termikus oxidációjával , kémiai gőzleválasztással , magnetronos porlasztással .

Porózus szilícium-dioxid

A porózus szilícium-dioxidot különféle módszerekkel állítják elő.

A szilokrómot aerosil aggregálásával nyerik , amelyet viszont szilán ( Si H 4 ) elégetésével nyernek. A szilokrómot nagy tisztaság, alacsony mechanikai szilárdság jellemzi. A fajlagos felület jellemző mérete 60–120 m2/g. Szorbensként használják kromatográfiában , gumi töltőanyagként, katalízisben .

A szilikagélt a kovasavgél szárításával állítják elő. A szilokrómhoz képest kisebb tisztaságú, de rendkívül fejlett felületű lehet: általában 300 m²/g-tól 700 m²/g-ig terjed.

A szilícium aerogél körülbelül 99,8%-a levegőből áll, sűrűsége pedig akár 1,9 kg/m³ is lehet (a levegő sűrűségének csak 1,5-szerese).

Toxicitás

Nanorészecskék formájában

A nanorészecskék biológiai gátakon áthatoló és a szervezetben felhalmozódó képessége, magas kémiai és katalitikus aktivitásuk számos nanorészecske toxikus tulajdonságait határozzák meg, amelyeket figyelembe kell venni az emberrel való kitettségük lehetséges kockázatainak értékelésekor. A nanorészecskék fő kockázati kritériuma a termelés mennyisége, valamint a vízben és biológiai közegben való oldódás képtelensége. [5]

A TR CU 021/20111 szerint a nanorészecskéket tartalmazó vagy nanotechnológiával előállított, tulajdonságokkal rendelkező élelmiszerek „új típusú termékeknek” minősülnek, amelyek esetében kötelező az állami regisztráció formájában történő megfelelőségértékelés. [5]

2018-ra Oroszországban és a vámunióban mintegy 60 féle nanoipari termék ment át az állami nyilvántartásba új típusú élelmiszerként. Ezek főként biológiailag aktív étrend-kiegészítők (BAA), amelyek élelmiszer-anyagokat tartalmaznak nanoformában, komplex élelmiszer-adalékanyagok - emulgeálószerek és bizonyos típusú technológiai segédanyagok, valamint nanoagyagot használó kompozit csomagolóanyagok. A piacon lévő élelmiszerek skálájának elemzése, az összetételére és biztonságosságára vonatkozó követelményeket megállapító szabályozó dokumentumok azonban azt mutatják, hogy a nanorészecskék és nanoanyagok formájú élelmiszer-adalékanyagok élelmiszergyártásban való felhasználásának mértéke alulbecsülhető, mivel a részecske a méretet nem szabályozzák és nem szabályozzák sem orosz, sem nemzetközi szabályozási keretek, különösen az amorf szilícium-dioxid és a titán-dioxid. [5]

Az E551 formájú szilícium-dioxidot csomósodásgátlóként és hordozóként használják. A TR CU 029/20122 meghatározza a megengedett mértéket a fűszerekben (legfeljebb 30 g/kg), a szorosan fóliába csomagolt termékekben (30 g/kg), a porcukorban (10 g/kg), a sóban és annak helyettesítőiben ( 10 g/kg). kg), sajtok és sajttermékek (10 g/kg), aromák (50 g/kg). Az E551-et tartalmazó élelmiszer-alapanyagok használata megengedett a gyermekeknek szánt élelmiszerek gyártása során. A tablettázott élelmiszerekben, táplálékkiegészítőkben, cukros édességekben (kivéve csokoládé) az E551 tartalma nem szabályozott. Az amorf SiO2 bevitele a fenti élelmiszereken kívül gyógyszerekkel és kozmetikai termékekkel (fogkrémek stb.) lehetséges. [5] Az E551 össztérfogatában jelentős a formája, mint például a nagy diszperzitású pirogén SiO2 (Aerosil), amelynek fajlagos felülete 300-380 m2/g, gömb alakú nanorészecskék formájában. 20-60 nm körüli méretűek, amelyek ultrastrukturális szinten alakulnak ki, gyengén kötöttek (agglomerálódnak). [5]

Ennek az élelmiszer-adalékanyagnak a JECFA-specifikációja azonban nem tartalmaz információt a részecskéinek méretéről, amelyet általában nem ellenőriznek és nem jelentenek be a termékgyártók, aminek következtében a forgalomban lévő élelmiszerek jelentős része előfordulhat. nanoanyag formájában tartalmazzák ezt az anyagot, és egyesek Adatok szerint az emberi élelmiszerek SiO2 nanorészecskéknek való kitettsége jelenleg meghaladhatja a napi 1,8 mg/testtömeg-kg-ot. Laboratóriumi állatokon végzett vizsgálatok során a SiO2 nanorészecskék biológiailag hozzáférhetőek voltak, amikor bejutottak a gyomor-bél traktusba, és egy 3 hónapos szubakut kísérletben 100 mg/ttkg nanoméretű Aerosil típusú SiO2 dózis mellett leukopéniát figyeltek meg állatokban, csökkent a T-helperek aránya, nőtt a citotoxikus limfociták aránya, csökkent az immunregulációs index (CD4/CD8), a pro- és gyulladásgátló citokinek egyensúlyhiánya figyelhető meg, ami együttesen az immunrendszerre káros hatást jelent. Egy morfológiai vizsgálat kimutatta, hogy a táplálékkal szállított SiO2 nanorészecskék hatásának célpontja a vékonybél nyálkahártyája, ahol a bolyhok masszív limfomakrofág és eozinofil beszűrődése figyelhető meg. [5]

Figyelembe véve a két 10-szeres biztonsági tényező bevezetését az in vivo modellek adatainak emberre történő átvitelekor, az élelmiszerből származó SiO2 nanorészecskék megengedett napi dózisa nem haladja meg az 1 mg/testtömeg-kg-ot. [5]

• Korábban azt hitték, hogy az anyag alacsony toxicitású: az MPC a munkaterületen 3 mg/m³. LD50 patkányokban - 3500 mg / kg. (forrás?)
• Amikor a szilícium-dioxid belép a test szöveteibe, granulomák jelennek meg és fokozatosan kialakulnak .
• A por belélegzése esetén a légutak irritációja lép fel, és a tápcsatorna különböző betegségei is előfordulnak. A pornak való tartós kitettség tüdőszilikózist okozhat [1] .

Jegyzetek

1. ↑ 1 2 Szaharov, 1990 .
2. ↑ Vegyész kézikönyv 21 - Stishovite . Letöltve: 2019. szeptember 23. Az eredetiből archiválva : 2019. szeptember 23. (határozatlan)
3. ↑ Lisichkin G.V. Az oltott felületi vegyületek kémiája . Letöltve: 2019. szeptember 23. Az eredetiből archiválva : 2017. június 19. (határozatlan)
4. ↑ A szilícium-dioxid orvosi kémiája és klinikai felhasználása: monográfia. / [DE. A. Csuiko, V. A. Tertyk, V. V. Lobanov és mások]; Szerk. A. A. Chuiko; Nemzeti akad. Ukrajna tudományai. Felületkémiai Intézet. - Kijev: Naukova Dumka , 2003. - 414, [1] p. : ill., tab. - ISBN 966-00-0185-1 .
5. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Gmoshinsky I.V., Shipelin V.A., Khotimchenko S.A. Nanoanyagok élelmiszerekben és csomagolásukban: a kockázatok és előnyök összehasonlító elemzése  Egészségügyi kockázatelemzés. - 2018. - Kiadás. 4 . – S. 134–142 . — ISSN 2308-1155 .

Irodalom

• I. E. Neimark // Szilikagél, előállítása, tulajdonságai és alkalmazása. 1973 - Kijev - 200 p.
• Sakharov V.V. Szilícium-dioxid // Kémiai Enciklopédia  : 5 kötetben / Ch. szerk. I. L. Knunyants . - M .: Szovjet Enciklopédia , 1990. - T. 2: Duff - Medi. - S. 517-518. — 671 p. — 100.000 példány.  — ISBN 5-85270-035-5 .
• A. I. Vrublevszkij // A kémia alapjai