Siliciumdioxide

Siliciumdioxide
Structuurformule en molecuulmodel
Zuiver siliciumdioxide-poeder
Algemeen
Molecuulformule	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
Wikidata	Q116269
Beschrijving	Witte kristallen
Waarschuwingen en veiligheidsmaatregelen
Waarschuwing
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
Thermodynamische eigenschappen
ΔfHos	−911 kJ/mol
Sos	42 J/mol·K
Tenzij anders vermeld zijn standaardomstandigheden gebruikt (298,15 K of 25 °C, 1 bar).
Portaal    Scheikunde

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.

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:

$\mathrm {Si\ +\ O_{2}\ \longrightarrow \ SiO_{2}}$

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:

$\mathrm {SiH_{4}\ +\ O_{2}\ \longrightarrow \ SiO_{2}\ +\ 2\ H_{2}}$

Een alternatief is de thermolyse van tetraethylorthosilicaat bij 680–730 °C:

$\mathrm {Si(OC_{2}H_{5})_{4}\ +\ 3\ O_{2}\ \longrightarrow \ SiO_{2}\ +\ 8\ H_{2}O\ +\ 4\ C_{2}H_{4}}$

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. [1]

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 IFA
• (en) MSDS van siliciumdioxide