Dióxido de silicio

Constituyente principal de arena y 10% en masa de la corteza terrestre.

"Silica" vuelve a dirigir aquí. Para otros usos, consulte Sílice (desambiguación) .

Ver también: ácido ortosilícico

Dióxido de silicio

Nombres
Nombre IUPAC Dióxido de silicio
Otros nombres Cuarzo Sílice Óxido silícico Óxido de silicio (IV) Sílice cristalina Sílice pura Silicea Arena de sílice
Identificadores
Número CAS	7631-86-9 Y
CHEBI	CHEBI: 30563 Y
ChemSpider	22683 Y
Tarjeta de información ECHA	100.028.678
Número CE	231-545-4
Número e	E551 (reguladores de acidez, ...)
Referencia de Gmelin	200274
KEGG	C16459 Y
Malla	Silicio + dióxido
PubChem CID	24261
Número RTECS	VV7565000
UNII	ETJ7Z6XBU4 Y
Tablero CompTox ( EPA )	DTXSID1029677
InChI InChI = 1S / O2Si / c1-3-2 Y Clave: VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Y
Propiedades
Fórmula química	SiO 2
Masa molar	60,08 g / mol
Apariencia	Sólido transparente (Amorfo) Blanco / Amarillo blanquecino (Polvo / Arena)
Densidad	2.648 (α-cuarzo), 2.196 (amorfo) g · cm −3 [1]
Punto de fusion	1.713 ° C (3.115 ° F; 1.986 K) (amorfo) [1] ( p4.88 ) a
Punto de ebullición	2950 ° C (5340 ° F; 3220 K) [1]
Susceptibilidad magnética (χ)	−29,6 · 10 −6 cm 3 / mol
Conductividad térmica	12 (|| eje c), 6,8 (⊥ eje c), 1,4 (am.) W / (m⋅K) [1] ( p12.213 )
Índice de refracción ( n D )	1.544 ( o ), 1.553 (e) [1] ( p4.143 )
Peligros
NFPA 704 (diamante de fuego)	0 0 0
NIOSH (límites de exposición a la salud de EE. UU.):
PEL (permitido)	TWA 20 mppcf (80 mg / m 3 /% SiO 2 ) (amorfo) [2]
REL (recomendado)	TWA 6 mg / m 3 (amorfo) [2] Ca TWA 0,05 mg / m 3 [3]
IDLH (peligro inmediato)	3000 mg / m 3 (amorfo) [2] Ca [25 mg / m 3 (cristobalita, tridimita); 50 mg / m 3 (cuarzo)] [3]
Compuestos relacionados
Diones relacionados	Dióxido de carbono Dióxido de germanio Dióxido de estaño Dióxido de plomo
Compuestos relacionados	Monóxido de silicio Sulfuro de silicio
Termoquímica
Entropía molar estándar ( S o 298 )	42 J · mol −1 · K −1 [4]
Entalpía estándar de formación (Δ f H ⦵ 298 )	−911 kJ · mol −1 [4]
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
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Referencias de Infobox

Compuesto químico

El dióxido de silicio , también conocido como sílice , es un óxido de silicio con la fórmula química Si O ₂ , que se encuentra más comúnmente en la naturaleza como cuarzo y en varios organismos vivos. ^{[5] [6]} En muchas partes del mundo, la sílice es el componente principal de la arena . La sílice es una de las familias de materiales más complejas y abundantes, existiendo como un compuesto de varios minerales y como producto sintético. Ejemplos notables incluyen cuarzo fundido , sílice pirógena , gel de sílice y aerogeles.. Se utiliza en materiales estructurales, microelectrónica (como aislante eléctrico) y como componentes en las industrias alimentaria y farmacéutica.

Estructura

Motivo estructural que se encuentra en el cuarzo α, pero también se encuentra en casi todas las formas de dióxido de silicio

Subunidad típica para dióxido de silicio de baja presión.

Relación entre el índice de refracción y la densidad para algunas formas de SiO ₂ ^[7]

En la mayoría de los silicatos , el átomo de silicio muestra una coordinación tetraédrica , con cuatro átomos de oxígeno rodeando un átomo de Si central ( ver Celda unitaria 3-D ). Por tanto, el SiO ₂ forma sólidos de red tridimensionales en los que cada átomo de silicio está unido covalentemente de forma tetraédrica a 4 átomos de oxígeno. Por el contrario, el CO ₂ es una molécula lineal. Las estructuras marcadamente diferentes de los dióxidos de carbono y silicio es una manifestación de la regla del doble enlace .

SiO ₂ tiene varias formas cristalinas distintas , pero casi siempre tienen la misma estructura local alrededor de Si y O. En el cuarzo α, la longitud del enlace Si-O es de 161 pm, mientras que en la α-tridimita está en el rango de 154– 171 pm. El ángulo Si-O-Si también varía entre un valor bajo de 140 ° en α-tridimita, hasta 180 ° en β-tridimita. En el cuarzo α, el ángulo Si-O-Si es de 144 °. ^[8]

Polimorfismo

El cuarzo alfa es la forma estable de SiO ₂ sólido a temperatura ambiente. Los minerales de alta temperatura, cristobalita y tridimita , tienen densidades e índices de refracción más bajos que el cuarzo. La transformación de α-cuarzo en beta-cuarzo tiene lugar abruptamente a 573 ° C. Dado que la transformación va acompañada de un cambio significativo de volumen, puede inducir fácilmente la fractura de cerámicas o rocas que atraviesan este límite de temperatura. ^[9] Sin embargo , los minerales de alta presión, seifertita , stishovita y coesita , tienen densidades e índices de refracción más altos que el cuarzo. ^[10] Stishovite tiene unestructura similar a rutilo donde el silicio tiene 6 coordenadas. La densidad de la stishovita es 4.287 g / cm ³ , que se compara con el cuarzo α, la más densa de las formas de baja presión, que tiene una densidad de 2.648 g / cm ³ . ^[11] La diferencia de densidad se puede atribuir al aumento de la coordinación, ya que las seis longitudes de enlace Si-O más cortas en la stishovita (cuatro longitudes de enlace Si-O de 176 pm y otras dos de 181 pm) son mayores que las de Si-O longitud de enlace (161 pm) en cuarzo α. ^[12] El cambio en la coordinación aumenta la ionicidad del enlace Si-O. ^[13] Más importante aún, cualquier desviación de estos parámetros estándar constituye diferencias o variaciones microestructurales, que representan un enfoque a un amorfo, vítreo o sólido vítreo.

La sílice faujasita , otro polimorfo, se obtiene por desaluminación de una zeolita Y ultraestable y baja en sodio con un tratamiento combinado de ácido y térmico. El producto resultante contiene más del 99% de sílice y tiene una alta cristalinidad y área superficial (más de 800 m ² / g). La faujasita-sílice tiene una estabilidad térmica y ácida muy alta. Por ejemplo, mantiene un alto grado de cristalinidad o orden molecular de largo alcance incluso después de hervir en ácido clorhídrico concentrado. ^[14]

SiO ₂ fundido

La sílice fundida exhibe varias características físicas peculiares que son similares a las observadas en el agua líquida : expansión de temperatura negativa, densidad máxima a temperaturas de ~ 5000 ° C y una capacidad calorífica mínima. ^[15] Su densidad disminuye de 2,08 g / cm ³ a 1950 ° C a 2,03 g / cm ³ a 2200 ° C. ^[dieciséis]

SiO ₂ molecular

El SiO ₂ molecular es una estructura lineal. Se ha producido combinando monóxido de silicio con átomos de oxígeno en una matriz de argón. Se ha generado dióxido de silicio dimérico, (SiO ₂ ) ₂ haciendo reaccionar O ₂ con monóxido de silicio dimérico aislado de matriz, (Si ₂ O ₂ ). En el dióxido de silicio dimérico hay dos átomos de oxígeno que forman un puente entre los átomos de silicio con un ángulo Si-O-Si de 94 ° y una longitud de enlace de 164,6 pm y la longitud del enlace Si-O terminal es de 150,2 pm. La longitud del enlace Si-O es de 148,3 pm, que se compara con la longitud de 161 pm en el cuarzo α. La energía de enlace se estima en 621,7 kJ / mol. ^[17]

Ocurrencia natural

Geología

El Si O _{2 se} encuentra más comúnmente en la naturaleza como cuarzo , que comprende más del 10% en masa de la corteza terrestre. ^{[18] El} cuarzo es el único polimorfo de sílice estable en la superficie de la Tierra. Se han encontrado apariciones metaestables de las formas de alta presión coesita y stishovita alrededor de estructuras de impacto y asociadas con eclogitas formadas durante el metamorfismo de ultra alta presión . Las formas de alta temperatura de tridimita y cristobalita se conocen a partir de rocas volcánicas ricas en sílice . En muchas partes del mundo, la sílice es el componente principal dearena . ^[19]

Biología

Aunque es poco soluble, la sílice se encuentra en muchas plantas. Los materiales vegetales con alto contenido de fitolitos de sílice parecen ser importantes para los animales que pastan, desde insectos masticadores hasta ungulados . La sílice acelera el desgaste de los dientes y es posible que se hayan desarrollado altos niveles de sílice en las plantas que los herbívoros comen con frecuencia como mecanismo de defensa contra la depredación. ^{[20] [21]}

La sílice también es el componente principal de la ceniza de cáscara de arroz , que se utiliza, por ejemplo, en la filtración y la fabricación de cemento.

Durante más de mil millones de años, la silicificación en y por las células ha sido común en el mundo biológico. En el mundo moderno ocurre en bacterias, organismos unicelulares, plantas y animales (invertebrados y vertebrados). Entre los ejemplos destacados se incluyen:

• Pruebas o frústulas (es decir, conchas) de diatomeas , radiolarios y amebas testadas . ^[6]
• Fitolitos de sílice en las células de muchas plantas, incluidas las Equisetaceae , prácticamente todas las gramíneas y una amplia gama de dicotiledóneas .
• Las espículas forman el esqueleto de muchas esponjas .

Los minerales cristalinos formados en el entorno fisiológico a menudo muestran propiedades físicas excepcionales (por ejemplo, resistencia, dureza, tenacidad a la fractura) y tienden a formar estructuras jerárquicas que exhiben un orden microestructural en un rango de escalas. Los minerales se cristalizan en un ambiente insaturado con respecto al silicio y en condiciones de pH neutro y baja temperatura (0-40 ° C).

No está claro de qué manera la sílice es importante en la nutrición de los animales . Este campo de investigación es un desafío porque la sílice es ubicua y en la mayoría de las circunstancias se disuelve solo en cantidades traza. De todos modos, ciertamente ocurre en el cuerpo vivo, creando el desafío de crear controles libres de sílice con fines de investigación. Esto hace que sea difícil estar seguro de cuándo la sílice presente ha tenido efectos beneficiosos operativos y cuándo su presencia es coincidente o incluso dañina. El consenso actual es que ciertamente parece importante en el crecimiento, la fuerza y ​​el manejo de muchos tejidos conectivos. Esto es cierto no solo para los tejidos conectivos duros como los huesos y los dientes, sino también posiblemente para la bioquímica de las estructuras que contienen enzimas subcelulares. ^[22]

Usos

Uso estructural

Aproximadamente el 95% del uso comercial de dióxido de silicio (arena) se produce en la industria de la construcción, por ejemplo, para la producción de hormigón (hormigón de cemento Portland ). ^[18]

Ciertos depósitos de arena de sílice, con un tamaño y forma de partículas deseables y un contenido deseable de arcilla y otros minerales, eran importantes para la fundición en arena de productos metálicos. ^[23] El alto punto de fusión de la sílice permite su uso en aplicaciones tales como fundición de hierro; La fundición en arena moderna a veces usa otros minerales por otras razones.

La sílice cristalina se utiliza en la fracturación hidráulica de formaciones que contienen petróleo compacto y gas de esquisto . ^[24]

Precursor del vidrio y el silicio

La sílice es el ingrediente principal en la producción de la mayoría de los vidrios . A medida que otros minerales se funden con sílice, el principio de depresión del punto de congelación reduce el punto de fusión de la mezcla y aumenta la fluidez. La temperatura de transición vítrea del SiO ₂ puro es de aproximadamente 1475 K. ^[25] Cuando el dióxido de silicio SiO ₂ fundido se enfría rápidamente, no cristaliza, sino que solidifica como un vidrio. Debido a esto, la mayoría de los esmaltes cerámicos tienen sílice como ingrediente principal.

La geometría estructural del silicio y el oxígeno en el vidrio es similar a la del cuarzo y la mayoría de las otras formas cristalinas de silicio y oxígeno con silicio rodeado por tetraedros regulares de centros de oxígeno. La diferencia entre las formas vítrea y cristalina surge de la conectividad de las unidades tetraédricas: aunque no hay una periodicidad de largo alcance en la red vítrea, el orden permanece a escalas de longitud mucho más allá de la longitud del enlace SiO. Un ejemplo de este orden es la preferencia por formar anillos de 6-tetraedros. ^[26]

La mayoría de las fibras ópticas para telecomunicaciones también están hechas de sílice. Es una materia prima primaria para muchas cerámicas como loza , gres y porcelana .

El dióxido de silicio se utiliza para producir silicio elemental . El proceso implica reducción carbotérmica en un horno de arco eléctrico : ^[27]

${\displaystyle {\ce {SiO2 + 2 C -> Si + 2 CO}}}$

Sílice pirógena

La sílice pirógena , también conocida como sílice pirogénica, se prepara quemando SiCl 4 en una llama de hidrógeno rica en oxígeno para producir un "humo" de SiO ₂ . ^[11]

${\displaystyle {\ce {SiCl4 + 2 H2 + O2 -> SiO2 + 4 HCl}}}$

También se puede producir vaporizando arena de cuarzo en un arco eléctrico de 3000 ° C. Ambos procesos dan como resultado gotitas microscópicas de sílice amorfa fusionadas en partículas secundarias tridimensionales ramificadas en forma de cadena que luego se aglomeran en partículas terciarias, un polvo blanco con una densidad aparente extremadamente baja (0,03 a 0,15 g / cm ³ ) y, por lo tanto, una gran superficie. . ^[28] Las partículas actúan como un agente espesante tixotrópico o como un agente antiaglomerante, y se pueden tratar para hacerlas hidrófilas o hidrófobas para aplicaciones de agua o de líquidos orgánicos.

Sílice pirogénica fabricada con una superficie máxima de 380 m ² / g

El humo de sílice es un polvo ultrafino recolectado como subproducto de la producción de aleaciones de silicio y ferrosilicio . Consiste en partículas esféricas amorfas (no cristalinas) con un diámetro medio de partícula de 150 nm, sin la ramificación del producto pirogénico. El uso principal es como material puzolánico para hormigón de alto rendimiento.

Aplicaciones alimentarias, cosméticas y farmacéuticas

La sílice, ya sea coloidal, precipitada o pirogénica, es un aditivo común en la producción de alimentos. Se utiliza principalmente como agente de flujo o antiaglomerante en alimentos en polvo, como especias y crema de café no láctea, o polvos para formar tabletas farmacéuticas. ^[28] Puede absorber agua en aplicaciones higroscópicas . La sílice coloidal se utiliza como agente clarificante para vino, cerveza y zumos, con el número E de referencia E551 . ^[18]

En cosmética, la sílice es útil por sus propiedades de difusión de la luz ^[29] y su absorbencia natural. ^[30]

La tierra de diatomeas , un producto extraído, se ha utilizado en alimentos y cosméticos durante siglos. Consiste en las cáscaras de sílice de diatomeas microscópicas ; en una forma menos procesada se vendía como "polvo de dientes". ^{[ cita requerida ]} La sílice hidratada fabricada o extraída se utiliza como abrasivo duro en la pasta de dientes .

Semiconductores

Ver también: pasivación de superficie , oxidación térmica , proceso plano y MOSFET

El dióxido de silicio se usa ampliamente en la tecnología de semiconductores.

• para la pasivación primaria (directamente sobre la superficie del semiconductor),
• como un dieléctrico de puerta original en tecnología MOS. Hoy, cuando la escala (dimensión de la longitud de la puerta del transistor MOS) ha progresado por debajo de 10 nm, el dióxido de silicio ha sido reemplazado por otros materiales dieléctricos como el óxido de hafnio o similar con una constante dieléctrica más alta en comparación con el dióxido de silicio
• como una capa dieléctrica entre capas de metal (cableado) (a veces hasta 8-10) que conectan elementos entre sí y
• como una capa de pasivación secundaria (para proteger los elementos semiconductores y las capas de metalización) típicamente hoy en día en capas con algunos otros dieléctricos como el nitruro de silicio .

Debido a que el dióxido de silicio es un óxido nativo de silicio, se usa más ampliamente en comparación con otros semiconductores como el arseniuro de galio o el fosfuro de indio .

El dióxido de silicio podría cultivarse en una superficie semiconductora de silicio . ^{[31] Las} capas de óxido de silicio podrían proteger las superficies de silicio durante los procesos de difusión y podrían utilizarse para enmascaramiento por difusión. ^{[32] [33]}

La pasivación de la superficie es el proceso mediante el cual una superficie semiconductora se vuelve inerte y no cambia las propiedades de los semiconductores como resultado de la interacción con el aire u otros materiales en contacto con la superficie o el borde del cristal. ^{[34] [35]} La formación de una capa de dióxido de silicio crecida térmicamente reduce en gran medida la concentración de estados electrónicos en la superficie del silicio . ^{[35] Las} películas de SiO ₂ conservan las características eléctricas de las uniones p – n y evitan que estas características eléctricas se deterioren por el ambiente gaseoso. ^[33]Se podrían usar capas de óxido de silicio para estabilizar eléctricamente superficies de silicio. ^[32] El proceso de pasivación de la superficie es un método importante de fabricación de dispositivos semiconductores que implica recubrir una oblea de silicio con una capa aislante de óxido de silicio para que la electricidad pueda penetrar de forma fiable en el silicio conductor que se encuentra debajo. El crecimiento de una capa de dióxido de silicio encima de una oblea de silicio le permite superar los estados de la superficie que de otra manera evitarían que la electricidad llegue a la capa semiconductora. ^{[34] [36]}

El proceso de pasivación de la superficie del silicio por oxidación térmica (dióxido de silicio) es fundamental para la industria de los semiconductores . Se utiliza comúnmente para fabricar transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido de metal (MOSFET) y chips de circuitos integrados de silicio (con el proceso plano ). ^{[34] [36]}

Otro

La sílice hidrófoba se utiliza como componente antiespumante . ^[37]

En su calidad de refractario , es útil en forma de fibra como tejido de protección térmica a altas temperaturas . ^{[ cita requerida ]}

La sílice se utiliza en la extracción de ADN y ARN debido a su capacidad para unirse a los ácidos nucleicos en presencia de caótropos . ^[38]

El aerogel de sílice se usó en la nave espacial Stardust para recolectar partículas extraterrestres. ^[39]

La sílice pura (dióxido de silicio), cuando se enfría como cuarzo fundido en un vidrio sin un verdadero punto de fusión, se puede utilizar como fibra de vidrio para fibra de vidrio.

Producción

El dióxido de silicio se obtiene principalmente mediante minería, incluida la extracción de arena y la purificación del cuarzo . El cuarzo es adecuado para muchos propósitos, mientras que el procesamiento químico es necesario para hacer un producto más puro o más adecuado (por ejemplo, más reactivo o de grano fino). ^{[ cita requerida ]}

Sílice precipitada

La sílice precipitada o la sílice amorfa se produce mediante la acidificación de soluciones de silicato de sodio . El precipitado gelatinoso o gel de sílice se lava primero y luego se deshidrata para producir sílice microporosa incolora. ^[11] La ecuación idealizada que involucra un trisilicato y ácido sulfúrico es:

${\displaystyle {\ce {Na2Si3O7 + H2SO4 -> 3 SiO2 + Na2SO4 + H2O}}}$

Aproximadamente mil millones de kilogramos / año (1999) de sílice se produjeron de esta manera, principalmente para su uso en compuestos poliméricos: neumáticos y suelas de zapatos. ^[18]

En microchips

Las películas delgadas de sílice crecen espontáneamente sobre las obleas de silicio mediante oxidación térmica , produciendo una capa muy poco profunda de aproximadamente 1 nm o 10 Å del llamado óxido nativo. ^[40] Se utilizan temperaturas más altas y entornos alternativos para cultivar capas bien controladas de dióxido de silicio sobre silicio, por ejemplo, a temperaturas entre 600 y 1200 ° C, utilizando la llamada oxidación seca con O 2.

${\displaystyle {\ce {Si + O2 -> SiO2}}}$

o oxidación húmeda con H ₂ O. ^{[41] [42]}

${\displaystyle {\ce {Si + 2 H2O -> SiO2 + 2 H2}}}$

La capa de óxido nativo es beneficiosa en microelectrónica , donde actúa como aislante eléctrico con alta estabilidad química. Puede proteger el silicio, almacenar carga, bloquear la corriente e incluso actuar como una vía controlada para limitar el flujo de corriente. ^[43]

Laboratorio o métodos especiales

De compuestos organosilícicos

Muchas rutas hacia el dióxido de silicio comienzan con un compuesto de organosilicio, por ejemplo, HMDSO, ^[44] TEOS. La síntesis de sílice se ilustra a continuación usando tetraetil ortosilicato (TEOS). Simplemente calentar TEOS a 680–730 ° C da como resultado el óxido:

${\displaystyle {\ce {Si(OC2H5)4 -> SiO2 + 2 O(C2H5)2}}}$

Del mismo modo, TEOS se quema alrededor de 400 ° C:

${\displaystyle {\ce {Si(OC2H5)4 + 12 O2 -> SiO2 + 10 H2O + 8 CO2}}}$

TEOS se somete a hidrólisis a través del llamado proceso sol-gel . El curso de la reacción y la naturaleza del producto se ven afectados por los catalizadores, pero la ecuación idealizada es: ^[45]

${\displaystyle {\ce {Si(OC2H5)4 + 2 H2O -> SiO2 + 4 HOCH2CH3}}}$

Otros métodos

Al ser altamente estable, el dióxido de silicio surge de muchos métodos. Conceptualmente simple, pero de escaso valor práctico, la combustión del silano produce dióxido de silicio. Esta reacción es análoga a la combustión del metano:

${\displaystyle {\ce {SiH4 + 2 O2 -> SiO2 + 2 H2O}}}$

Sin embargo, la deposición de vapor químico de dióxido de silicio sobre la superficie del cristal a partir del silano se había utilizado utilizando nitrógeno como gas portador a 200-500 ° C. ^[46]

Reacciones químicas

La sílice se convierte en silicio por reducción con carbono.

El flúor reacciona con el dióxido de silicio para formar SiF ₄ y O _2, mientras que los otros gases halógenos (Cl ₂ , Br ₂ , I ₂ ) son esencialmente no reactivos. ^[11]

El ácido fluorhídrico (HF) ataca al dióxido de silicio para producir ácido hexafluorosilícico : ^[8]

${\displaystyle {\ce {SiO2 + 6 HF -> H2SiF6 + 2 H2O}}}$

El HF se utiliza para eliminar o modelar el dióxido de silicio en la industria de los semiconductores.

En condiciones normales, el silicio no reacciona con la mayoría de los ácidos, pero el ácido fluorhídrico lo disuelve.

${\displaystyle {\ce {Si(s) + 6HF(aq) -> [SiF6]^{2-}(aq) + 2H+(aq) + 2H2(g)}}}$

El silicio es atacado por bases como el hidróxido de sodio acuoso para dar silicatos.

${\displaystyle {\ce {Si(s) + 4NaOH(aq) -> [SiO4]^{4-}(aq) + 4Na+(aq) + 2H2(g)}}}$

El dióxido de silicio actúa como ácido Lux-Flood , pudiendo reaccionar con bases en determinadas condiciones. Como no contiene hidrógeno, no puede actuar como un ácido de Brønsted-Lowry . Si bien el dióxido de silicio no es soluble en agua, algunas bases fuertes reaccionarán con el vidrio y, como resultado, tendrán que almacenarse en botellas de plástico. ^[47]

El dióxido de silicio se disuelve en álcali concentrado caliente o hidróxido fundido, como se describe en esta ecuación idealizada: ^[11]

${\displaystyle {\ce {SiO2 + 2 NaOH -> Na2SiO3 + H2O}}}$

El dióxido de silicio neutralizará óxidos metálicos básicos (por ejemplo, sodio óxido , óxido de potasio , óxido de plomo (II) , óxido de zinc , o mezclas de óxidos, formando silicatos y vidrios como los enlaces Si-O-Si en sílice se rompen sucesivamente). ^[8] Como ejemplo, la reacción de óxido de sodio y SiO ₂ puede producir ortosilicato de sodio, silicato de sodio y vidrios, dependiendo de las proporciones de reactivos: ^[11]

${\displaystyle {\ce {2 Na2O + SiO2 -> Na4SiO4;}}}$

${\displaystyle {\ce {Na2O + SiO2 -> Na2SiO3;}}}$

${\displaystyle (0.25-0.8)}$ ${\displaystyle {\ce {Na2O + SiO2 -> glass}}}$.

Los ejemplos de tales vidrios tienen importancia comercial, por ejemplo , vidrio de cal sodada , vidrio de borosilicato , vidrio de plomo . En estos vidrios, la sílice se denomina formador de red o formador de red. ^[8] La reacción también se utiliza en altos hornos para eliminar las impurezas de arena en el mineral por neutralización con óxido de calcio, formando escoria de silicato de calcio .

Paquete de fibras ópticas compuesto de sílice de alta pureza.

El dióxido de silicio reacciona en reflujo calentado bajo dinitrógeno con etilenglicol y una base de metal alcalino para producir silicatos pentacoordinados altamente reactivos que proporcionan acceso a una amplia variedad de nuevos compuestos de silicio. ^[48] Los silicatos son esencialmente insolubles en todos los disolventes polares excepto en metanol.

El dióxido de silicio reacciona con el silicio elemental a altas temperaturas para producir SiO: ^[8]

${\displaystyle {\ce {SiO2 + Si -> 2 SiO}}}$

Solubilidad en agua

La solubilidad del dióxido de silicio en agua depende en gran medida de su forma cristalina y es tres o cuatro veces más alta para la sílice ^{[se necesita clarificación ]} que para el cuarzo; en función de la temperatura, alcanza un máximo de alrededor de 340 ° C. ^[49] Esta propiedad se utiliza para hacer crecer monocristales de cuarzo en un proceso hidrotermal donde el cuarzo natural se disuelve en agua sobrecalentada en un recipiente a presión que es más frío en la parte superior. Pueden cultivarse cristales de 0,5 a 1 kg durante un período de 1 a 2 meses. ^[8] Estos cristales son una fuente de cuarzo muy puro para su uso en aplicaciones electrónicas. ^[11]

Efectos sobre la salud

Arena de cuarzo (sílice) como principal materia prima para la producción comercial de vidrio

La sílice ingerida por vía oral es esencialmente no tóxica, con una DL 50 de 5000 mg / kg (5 g / kg). ^[18] Un estudio de 2008 que siguió a sujetos durante 15 años encontró que niveles más altos de sílice en el agua parecían disminuir el riesgo de demencia . Un aumento de 10 mg / día de sílice en el agua potable se asoció con una disminución del riesgo de demencia del 11%. ^[50]

La inhalación de polvo de sílice cristalina finamente dividida puede provocar silicosis , bronquitis o cáncer de pulmón , ya que el polvo se aloja en los pulmones e irrita continuamente el tejido, lo que reduce la capacidad pulmonar. ^[51] Cuando se inhalan partículas finas de sílice en cantidades suficientemente grandes (como por exposición ocupacional), aumenta el riesgo de enfermedades autoinmunes sistémicas como el lupus ^[52] y la artritis reumatoide en comparación con las tasas esperadas en la población general. ^[53]

Riesgo laboral

La sílice es un riesgo ocupacional para las personas que limpian con chorro de arena o trabajan con productos que contienen sílice cristalina en polvo. La sílice amorfa, como la sílice pirógena, puede causar daño pulmonar irreversible en algunos casos, pero no está asociada con el desarrollo de silicosis. Los niños, los asmáticos de cualquier edad, los alérgicos y los ancianos (todos ellos con capacidad pulmonar reducida) pueden verse afectados en menos tiempo. ^[54]

La sílice cristalina es un riesgo ocupacional para quienes trabajan con encimeras de piedra , porque el proceso de cortar e instalar las encimeras crea grandes cantidades de sílice en el aire. ^{[55] La} sílice cristalina utilizada en la fracturación hidráulica presenta un riesgo para la salud de los trabajadores. ^[24]

Fisiopatología

En el cuerpo, las partículas de sílice cristalina no se disuelven durante períodos clínicamente relevantes. Cristales de sílice dentro de los pulmones pueden activar el NLRP3 inflamasoma dentro de los macrófagos y las células dendríticas y de ese modo como resultado la producción de interleucina , un altamente citoquina pro-inflamatoria en el sistema inmune. ^{[56] [57] [58]}

Reglamento

Las regulaciones que restringen la exposición a la sílice 'con respecto al peligro de silicosis' especifican que solo se refieren a la sílice, que es tanto cristalina como formadora de polvo. ^{[59] [60] [61] [62] [63] [64]}

En 2013, la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional de EE. UU . Redujo el límite de exposición a 50 µg / m ³ de aire. Antes de 2013, había permitido 100 µg / m ³ y en los trabajadores de la construcción incluso 250 µg / m ³ . ^[24] En 2013, OSHA también requirió "terminación verde" de pozos fracturados para reducir la exposición a la sílice cristalina además de restringir el límite de exposición. ^[24]

Formas cristalinas

El SiO ₂ , más que casi cualquier material, existe en muchas formas cristalinas. Estas formas se denominan polimorfos .

Formas cristalinas de SiO ₂ ^[8]

Formulario	Símbolo de Pearson de simetría de cristal , grupo No.	ρ g / cm 3	Notas	Estructura
α-cuarzo	romboédrico (trigonal) hP9, P3 1 21 No 152 [65]	2.648	Cadenas helicoidales que hacen que los monocristales individuales sean ópticamente activos; El α-cuarzo se convierte en β-cuarzo a 846 K
β-cuarzo	hexagonal hP18, P6 2 22, No. 180 [66]	2.533	Estrechamente relacionado con el cuarzo α (con un ángulo de Si-O-Si de 155 °) y ópticamente activo; El β-cuarzo se convierte en β-tridimita a 1140 K
α-tridimita	ortorrómbico oS24, C222 1 , No.20 [67]	2.265	Forma metaestable bajo presión normal
β-tridimita	hexagonal hP12, P6 3 / mmc, No. 194 [67]		Estrechamente relacionado con la α-tridimita; La β-tridimita se convierte en β-cristobalita a 2010 K
α-cristobalita	tetragonal tP12, P4 1 2 1 2, No. 92 [68]	2.334	Forma metaestable bajo presión normal
β-cristobalita	cúbico cF104, Fd 3 m, No.227 [69]		Estrechamente relacionado con la α-cristobalita; se derrite a 1978 K
keatita	tetragonal tP36, P4 1 2 1 2, No. 92 [70]	3.011	Si 5 O 10 , Si 4 O 8 , Si 8 O 16 anillos; sintetizado a partir de sílice vítrea y álcali a 600–900 K y 40–400 MPa
moganita	monoclínico mS46, C2 / c, nº 15 [71]		Anillos Si 4 O 8 y Si 6 O 12
coesite	monoclínico mS48, C2 / c, nº 15 [72]	2.911	Anillos Si 4 O 8 y Si 8 O 16 ; 900 K y 3–3,5 GPa
stishovite	tP6 tetragonal , P4 2 / mnm, No 136 [73]	4.287	Uno de los polimorfos de sílice más densos (junto con la seifertita); similar al rutilo con Si coordinado 6 veces; 7,5–8,5 GPa
seifertita	OP ortorrómbica , Pbcn [74]	4.294	Uno de los polimorfos de sílice más densos (junto con la stishovita); se produce a presiones superiores a 40 GPa. [75]
melanoflogita	cúbica (cP *, P4 2 32, No.208) [7] o tetragonal (P4 2 / nbc) [76]	2,04	Anillos Si 5 O 10 , Si 6 O 12 ; mineral que siempre se encuentra con hidrocarburos en espacios intersticiales - un clathrasil [77]
W-sílice fibrosa [11]	ortorrómbico oI12, Ibam, No.72 [78]	1,97	Al igual que el SiS 2, que consta de cadenas que comparten bordes, se funde a ~ 1700 K
Sílice 2D [79]	hexagonal		Estructura de bicapa en forma de hoja

Seguridad

La inhalación de sílice cristalina finamente dividida puede provocar una inflamación grave del tejido pulmonar , silicosis , bronquitis , cáncer de pulmón y enfermedades autoinmunes sistémicas , como el lupus y la artritis reumatoide . La inhalación de dióxido de silicio amorfo , en dosis altas, conduce a una inflamación no permanente a corto plazo, donde todos los efectos se curan. ^[80]

Otros nombres

Esta lista ampliada enumera sinónimos para dióxido de silicio; todos estos valores provienen de una sola fuente; los valores en la fuente se presentaron en mayúsculas. ^[81]

• CAS 112945-52-5
• Acitcel
• Aerosil
• Polvo de sílice amorfa
• Aquafil
• CAB-O-GRIP II
• CAB-O-SIL
• CAB-O-SPERSE
• Cataloide
• Sílice coloidal
• Dióxido de silicio coloidal
• Dicalita
• Insecticida DRI-DIE 67
• FLO-GARD
• Harina fósil
• Sílice pirógena
• Dióxido de silicio ahumado
• HI-SEL
• LO-VEL
• Ludox
• Nalcoag
• Nyacol
• Santocel
• Sílice
• Aerogel de sílice
• Sílice amorfa
• Anhídrido silícico
• Silikill
• Sílice amorfa sintética
• Vulkasil

Ver también

• Sílice mesoporosa
• Carburo de silicio

Referencias

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Enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con el dióxido de silicio .

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