Dióxido de silicio

Identificación
Dióxido de silicio


Imagen de portada : fórmula de Lewis para el dióxido de silicio. Imagen inferior: patrón estructural básico de la mayoría de los polimorfos de dióxido de silicio que forman conjuntos tetraédricos de SiO 4unidos entre sí por sus vértices, cada átomo de oxígeno es común a dos tetraedros, de ahí la fórmula general de SiO 2.
Sinónimos	sílice
N o CAS	1343-98-2 :sílice precipitada 7631-86-9 : síliceamorfa 13778-37-5 :stishovita 13778-38-6 :coesita 14464-46-1 :cristobalita 14808-60-7 :cuarzo 15468-32-3 :tridimita 17679-64-0 :keatita 60676-86-0 :vidrio de cuarzo 63231-67-4 :gel de sílice 69012-64-2 :humo de sílice 112945-52-5 :sílice pirógena
N o ECHA	100,028,678
N o CE	231-545-4: sílice amorfa 238-455-4: cristobalita 238-878-4: cuarzo 239-487-1: tridimita 262-373-8: vidrio de cuarzo 273-761-1: humo de sílice 601-214-2 : gel de sílice 604-037-9: stishovite 920-837-3: vidrio
N o RTECS	VV7325000: cristobalita VV7330000: cuarzo VV7335000: tridimita
PubChem	24261
CHEBI	30563
N o E	E551
Sonrisas	O = [Si] = O PubChem , vista 3D
InChI	Std. InChI: vista 3D InChI = 1S / O2Si / c1-3-2 Std. InChIKey: VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N
Apariencia	sólido incoloro, cristalino, a veces amorfo, prácticamente insoluble en agua
Propiedades químicas
Fórmula bruta	O 2 Si
Masa molar	60.0843 ± 0.0009 g / mol O 53.26%, Si 46.74%,
Propiedades físicas
T ° fusión	1730 ° C
T ° hirviendo	2230 ° C
Solubilidad	10 mg · L -1 a 25 ° C ( cuarzo )
Densidad	2,334 g · cm -3
Propiedades ópticas
Índice de refracción	1.458 para λ = 589 nm en sílice amorfa en capa fina
Precauciones
SGH

NFPA 704
0 1 0
Clasificación IARC
Grupo 1: cancerígeno para los seres humanos (sílice cristalina inhalada en forma de cuarzo o cristobalita de una fuente ocupacional) Grupo 3: inclasificable en cuanto a su carcinogenicidad para los seres humanos (sílice amorfa )

Unidades de SI y STP a menos que se indique lo contrario.

El dióxido de silicio o sílice , es un compuesto químico de fórmula SiO 2. Es un sólido incoloro presente en abundancia en el medio natural y en diversos seres vivos . Existe libre en varias formas cristalinas y amorfas , y combinado químicamente con otros óxidos en silicatos , que son los principales constituyentes de la corteza terrestre y el manto . Libre o combinado, representa el 60,6% de la masa de la corteza continental . Es particularmente abundante en forma de cuarzo , especialmente en granitos . También existe como material sintético , como vidrio de cuarzo , sílice ahumado , gel de sílice y aerogeles . Se utiliza como material estructural, en microelectrónica , como aislante eléctrico , así como como ingrediente para la industria farmacéutica y la industria alimentaria .

La inhalación de sílice cristalina finamente dividida es tóxica y puede provocar una inflamación grave de los pulmones, silicosis , bronquitis , cáncer de pulmón y enfermedades autoinmunes como el lupus eritematoso sistémico y la artritis reumatoide . La absorción de dióxido de silicio amorfo, por otro lado, provoca sólo breves inflamaciones reversibles.

Propiedades físicas

Diagrama de fases

En condiciones normales de temperatura y presión ( T = 0 ° C , P = 0,1 MPa ), el dióxido de silicio en equilibrio está en forma de cuarzo α , un material cristalino con una estructura trigonal ( Z = 3 patrones de SiO 2 por malla ).

A baja presión ( P < 500 MPa ) y temperatura T creciente, la fase estable es sucesivamente:

α, cuarzo trigonal ( Z = 3);
el cuarzo β , hexagonal ( Z = 4);
la tridimita , triclínica ( Z = 320);
la cristobalita , tetragonal ( Z = 4);
sílice líquida (desde 1.703 ° C a presión atmosférica );
vapor de sílice (por encima de 2950 ° C a presión atmosférica).

A baja temperatura ( T < 600 ° C ) y presión creciente P , la fase estable es sucesivamente:

α, cuarzo trigonal ( Z = 3);
la coesita , monoclínica ( Z = 16);
la stishovita , tetragonal ( Z = 2).

Las transiciones de fase del diagrama son de primer orden , a excepción de la transición de cuarzo α ↔ cuarzo β (de segundo orden), que es desplazadora (se produce por simple desplazamiento de los átomos sin romper enlaces químicos ); por esta razón, no requiere nucleación y el cuarzo β no se puede apagar a baja temperatura.

En todas las fases anteriores, cada átomo de silicio está en el centro de un tetraedro [SiO 4], con la excepción del vapor de sílice (moléculas de SiO 2) y stishovita, en la que el número de coordinación del silicio es 6 (octaedros [SiO 6]).

Formas cristalinas

El dióxido de silicio es un sólido incoloro relativamente duro (7.0 en la escala de Mohs para el cuarzo ) que existe tanto en forma cristalina como amorfa . Su densidad es de 2.648 g / cm 3 para el cuarzo α , pero de 2.196 g / cm 3 para el SiO 2amorfo. Es transparente en todo el espectro visible , de ahí sus aplicaciones en óptica , con un índice de refracción cercano a 1,46. Por otro lado, es menos transparente en el infrarrojo , lo que explica en parte la ventaja obtenida en horticultura por el uso de invernaderos . Es un buen aislante eléctrico , con una resistividad de 10 12 a 10 16 Ω cm para formas cristalizadas y superior a 10 18 Ω cm para formas amorfas. Su conductividad térmica es respectivamente 1,3 y 1,4 W m −1 K −1 , y su relación de Poisson, respectivamente, 0,17 y 0,165 para las formas cristalina y amorfa.

En la mayoría de los silicatos , los átomos de silicio tienen una coordinación tetraédrica con cuatro átomos de oxígeno que rodean un átomo de silicio central. Los polimorfos del cuarzo son ejemplos de tales estructuras, que forman una red tridimensional en la que cada átomo de silicio está unido covalentemente a cuatro átomos de oxígeno en forma tetraédrica.

Por ejemplo, en la red cristalina del cuarzo α , el tetraedro central comparte sus cuatro vértices, cada uno formado por un átomo de oxígeno, mientras que los dos tetraedros centrados en las caras comparten dos de sus cuatro vértices, y los cuatro tetraedros con bordes centrados comparten solo uno. de sus átomos de oxígeno con tetraedros de SiO 4vecinos. Los 7 tetraedros de la celda unitaria de cuarzo α son, por lo tanto, 12 de los 24 átomos de oxígeno que se comparten entre dos tetraedros adyacentes.

La única forma estable de dióxido de silicio en condiciones normales de temperatura y presión es el cuarzo α , que es la forma cristalina más común de SiO 2.. Las impurezas en la red cristalina pueden dar al cristal diferentes colores. La transición entre el cuarzo α y el cuarzo β se produce de forma abrupta a 573 ° C. Como esta transición va acompañada de un aumento significativo en el volumen del cristal, puede fracturar fácilmente rocas o cerámicas que contengan dióxido de silicio al cruzar esta temperatura.

Los minerales de alta temperatura, cristobalita y tridimita tienen menor densidad e índice de refracción que el cuarzo α. En contraste, seifertite , stishovite y coesita , que son minerales de alta presión, tener una mayor densidad y el índice de refracción de α cuarzo.

Aparte de la stishovita y las fibras de sílice, todos los polimorfos del dióxido de silicio cristalizado están formados por tetraedros de SiO 4.unidos por algunos de sus vértices en diferentes configuraciones tridimensionales. La longitud del enlace Si - O varía según las formas del cristal. En el cuarzo α, por ejemplo, es de 161 µm , mientras que en la tridimita α es de 154 a 171 µm . El ángulo de enlace Si - O - Si también varía de 140 ° para α tridimita a 180 ° para β tridimita, mientras que es de 144 ° para α cuarzo.

Las fibras de sílice tienen una estructura similar a la del disulfuro de silicio SiS 2, con cadenas de tetraedros compartiendo algunos de sus bordes. La stishovita, una forma estable a alta presión, por otro lado tiene una estructura de tipo rutilo , en la que los átomos de silicio están hexacoordinados. La densidad de la estishovita es de 4.287 g · cm -3 , mucho más alta que la del cuarzo α, que es de solo 2.648 g · cm -3 . Esta diferencia de densidad debe estar relacionada con la variación en la coordinación , porque los enlaces Si - O son más largos en la estishovita (cuatro enlaces ecuatoriales de 176 pm y dos enlaces polares de 181 pm ) que en el cuarzo α: cuatro enlaces tetraédricos de 161 µm .

La faujasita es otra forma de sílice cristalina. Se obtiene por desaluminación de zeolitas Y ultraestables con bajo contenido en sodio mediante un tratamiento térmico en presencia de un ácido. El producto resultante contiene más del 99% de sílice que tiene una alta cristalinidad y una alta superficie específica (más de 800 m 2 · g -1 ). Es un material muy estable con respecto a la temperatura y los ácidos. En particular, conserva su cristalinidad y su alto grado de orden molecular a gran distancia después de haber sido puesto en ebullición con ácido clorhídrico concentrado.

Formas cristalinas de SiO 2

Polimórfico	Sistema , Pearson , n o de grupo espacial	ρ g cm –3	Observaciones
Cuarzo α	Trigonal romboédrico hP9, P3 1 21 n o 152	2.648	Cadenas helicoidales que hacen que los monocristales sean ópticamente activos. La α cuarzo transforma en cuarzo β a 846 K .
Cuarzo β	Hexagonal HP18, P6 2 22, n o 180	2.533	Estrechamente relacionado con el cuarzo α , con un ángulo de Si - O - Si de 155 ° y ópticamente activo. El β cuarzo transforma en tridimita β a 1140 K .
Α tridimitis	Ortorrómbico OS24, C222 1 , n o 20	2,265	Metaestable a presión atmosférica .
Β tridimitis	Hexagonal hP12, P6 3 / mmc, n o 194		Estrechamente relacionado con la α tridimitis. Tridimita β se transforma en cristobalita β a 2010 K .
Cristobalita α	Tetragonal tP12, P4 1 2 1 2, 92	2.334	Metaestable a presión atmosférica .
Cristobalita β	Cubic cF104, Fd 3 m, n o 227		Estrechamente relacionado con la α cristobalita . Antecedentes de 1978 K .
Keatita	Tetragonal tP36, P4 1 2 1 2, n o 92	3.011	Ciclos Si 5 O 10, Si 4 O 14y Si 8 O 16. Producido a partir de vidrio de cuarzo y álcali de 600 a 900 K y de 40 a 400 MPa .
Moganita	Monoclínico ms46, C2 / c, n o 15		Ciclos Si 4 O 8y Si 6 O 12.
Coesitis	Monoclínico mS48, C2 / c, n o 15	2.911	Ciclos Si 4 O 8y Si 8 O 16. Entrenamiento a 900 K y 3 a 3,5 GPa .
Stishovite	Tetragonal tP6, P4 2 / mnm, n o 136	4.287	Una de las formas más densas de dióxido de silicio , apenas más baja en densidad que la seifertita . Rutile- como estructura cristalina con hexcoordinate silicio . Formación de 7.5 a 8.5 GPa .
Seifertita	OP ortorrómbico , Pbcn	4.294	Una de las formas más densas de dióxido de silicio , ligeramente más alta en densidad que la stishovita . Se forma a presiones superiores a 40 GPa .
Melanoflogita	Cubic (cP *, P4 2 32, n o 208) o tetragonal (P4 2 / NBC)	2,04	Ciclos Si 5 O 10, Si 6 O 12. Presente con hidrocarburos en espacios intersticiales.
Sílice fibrosa	Ortorrómbica oI12, Ibam, n o 72	1,97	Estructura similar a la del disulfuro de silicio SiS 2formado por cadenas de tetraedros de SiO 4unidos por algunos de sus bordes. Se derrite a unos 1700 K
Sílice 2D	Hexagonal		Estructura bicapa de láminas de sílice hexagonales.

Formas biológicas o no cristalinas

Existe una amplia variedad de minerales compuestos por una fracción mayor o menor de SiO 2amorfo . El principal es el ópalo , que es un hidrato de dióxido de silicio amorfo, cuyo agua generalmente representa entre el 6 y el 10% en masa, cuyos valores extremos oscilan entre el 3 y el 21%. La geiserita es una variante del ópalo que se forma alrededor de las fuentes termales y los géiseres .

Algunas rocas silíceas son de origen biológico, como las radiolaritas y las diatomitas , como la tierra de diatomeas , formadas por diagénesis a partir de esqueletos de miríadas de radiolarios , frústulas de diatomeas , esponjas silíceas e incluso tecas de amebas testáceas . Otros, como el pedernal y la arenisca , son rocas sedimentarias más o menos cristalinas , calificándose generalmente el pedernal como criptocristalino ya que sus cristales de cuarzo son pequeños y están dispuestos de manera desordenada.

La sílice amorfa también se forma a partir de sílice cristalina fundida y enfriada rápidamente. Por lo tanto, se encuentra en varias rocas volcánicas , como la obsidiana y la taquilita , o en las eyecciones de los cráteres de impacto , como las tectitas . Una variedad especial de tales rocas se forma a partir de suelos silíceos alcanzados por un rayo : fulguritas y lechateliérita .

Las plantas producen fitolitos, algunos de los cuales consisten en dióxido de silicio. En la medida en que los fitolitos ricos en SiO 2, que favorecen el desgaste de dientes y mandíbulas , se encuentran en particular en las gramíneas consumidas como pastura ( pastos ) por diversos herbívoros que van desde insectos hasta ungulados , se cree que es un mecanismo de defensa desarrollado por estas plantas para limitar su consumo. La sílice también se encuentra en la ceniza de la cáscara de arroz , que se puede utilizar en la filtración y en la fabricación de cementos .

SiO 2 geometría molecular a molecular lineal O = Si = O se produce cuando el monóxido de silicio SiO se condensa en una matriz de argón criogénico enfriado con helio líquido en presencia de átomos de oxígeno liberados por descarga de microondas. Dióxido de silicio dimérico (SiO 2 ) 2se obtuvo haciendo reaccionar moléculas de oxígeno O 2con monóxido de silicio dimérico (SiO) 2. El dióxido de silicio dimérico tiene dos átomos de oxígeno que forman puentes entre los átomos de silicio con un ángulo Si - O - Si de 94 ° y una longitud de enlace de 164,6 µm , mientras que el enlace Si - O terminal es de 150,2 µm .

Sílice liquida

En estado líquido, el dióxido de silicio presenta ciertas propiedades similares a las del agua, como un coeficiente negativo de expansión térmica , una densidad máxima en torno a los 5000 ° C , así como una capacidad térmica mínima . Su densidad disminuye de 2,08 g · cm -3 a de 1 950 ° C a 2,03 g · cm -3 a 2.2 mil ° C .

Propiedades químicas

La solubilidad del dióxido de silicio en agua depende en gran medida de su forma cristalina. Es mucho más alta para la sílice amorfa que para el cuarzo - 120 y 10 mg · L -1 a 25 ° C respectivamente - y es máxima a 340 ° C con 1660 mg · kg -1 a presión de vapor saturada ; esta propiedad se aprovecha para cultivar monocristales de cuarzo mediante un proceso hidrotermal en el que el cuarzo natural se disuelve en agua sobrecalentada en un recipiente presurizado que se enfría desde la parte superior: cristales de 0,5 a 1 kg durante un período de uno a dos meses. Estos cristales de cuarzo tan puros se pueden utilizar para aplicaciones electrónicas. La solubilidad del SiO 2es incluso mayor en agua supercrítica , alcanzando el 20% a 500 ° C y 1000 bar.

SiO 2disuelto en agua forma ácido silícico H 4 SiO 4, que es un ácido débil , con un máximo de 120 mg · L -1 a 25 ° C en agua purificada . Este valor aumenta con la temperatura, la presión, pero también el pH , las soluciones básicas de hecho promueven la formación de iones silicato SiO 4 .4– . El ácido silícico forma suspensiones coloidales en agua, lo que le confiere una cierta opacidad. Este es el caso del agua de los géiseres , como la de Geysir en Islandia . Para una concentración dada de sílice coloidal, el color azul es tanto más intenso cuanto más fría es el agua, siendo menor la solubilidad del ácido silícico.

El dióxido de silicio puede dar silicio por reacción carbotermal en hornos de arco a más de 2000 ° C dependiendo de la reacción:

SiO 2+ 2 C ⟶ Si + 2 CO .

El flúor F 2reacciona con dióxido de silicio para formar tetrafluoruro de silicio SiF 4liberando oxígeno O 2, mientras que los demás halógenos ( cloro Cl 2, bromo Br 2y yodo I 2) no reaccione con él.

El dióxido de silicio es atacado por el ácido fluorhídrico HF para dar ácido hexafluorosilícico H 2 SiF 6, reacción utilizada en particular en la industria de los semiconductores para grabar o eliminar capas delgadas de SiO 2 :

SiO 2 (s)+ 6 HF (ac) ⟶ H 2 SiF 6 (ac)+ 2 H 2 O.

El dióxido de silicio es un óxido ácido en el sentido de Lux-Flood, que reacciona con óxidos básicos para dar silicatos , por ejemplo en forma de iones metasilicato SiO 3.2– , análogo al ion carbonato CO 32– , y ortosilicato SiO 44– . Así, el óxido de calcio CaO reacciona con el dióxido de silicio y da silicatos de calcio , por ejemplo, wollastonita CaSiO 3. :

CaO + SiO 2⟶ CaSiO 3.

La omnipresente presencia de silicatos entre los minerales hace que el silicio sea el segundo elemento químico más abundante en la corteza terrestre , después del oxígeno .

El dióxido de silicio se disuelve en caliente concentrado a bases o hidróxidos de metales alcalinos fundidos, como muestra por ejemplo esta ecuación idealizada:

SiO 2+ 2 NaOH ⟶ Na 2 SiO 3+ H 2 O.

El dióxido de silicio neutraliza los óxidos de metales básicos como el óxido de sodio Na 2 O, óxido de potasio K 2 O, óxido de plomo (II) PbO u óxido de zinc ZnO, formando silicatos y vidrios a medida que los enlaces Si - O - Si se rompen gradualmente. Por lo tanto, la reacción de óxido de sodio y dióxido de silicio puede producir ortosilicato de sodio Na 4 SiO 4, silicato de sodio Na 2 SiO 3y vasos , según las proporciones de los reactivos:

2 Na 2 O+ SiO 2⟶ Na 4 SiO 4 ; Na 2 O+ SiO 2⟶ Na 2 SiO 3 ; (0.25-0.8) Na 2 O+ SiO 2⟶ vidrio .

Algunos de estos vidrios son de importancia comercial, por ejemplo el vidrio sodocálcico (con carbonato de sodio Na 2 CO 3y óxido de calcio CaO), vidrio de borosilicato (con carbonato de sodio Na 2 CO 3y sesquióxido de boro B 2 O 3) y cristal (con óxido de plomo (II) PbO).

El dióxido de silicio reacciona en caliente con el silicio para dar monóxido de silicio SiO:

SiO 2+ Si ⟶ 2 SiO .

Ciclo biogeoquímico de la sílice

Entre los servicios ecosistémicos proporcionados por las esponjas silíceas (y radiolarios ) se encuentra su papel en el ciclo oceánico de la sílice. Mientras que el océano recibe continuamente sílice de origen terrígeno, el entierro de esqueletos silíceos (particularmente formas insolubles de sílice biogénica) juega un papel importante en el ciclo geoquímico (en) la sílice oceánica.

Durante mucho tiempo se creyó que el ciclo marino del Si estaba en equilibrio gracias al entierro de esqueletos silíceos de algas (diatomeas) o su transformación en arcilla autigénica (un fenómeno conocido como "meteorización inversa", pero se ha demostrado que los glaciares y las aguas subterráneas traen consigo un excedente de sílice al océano global La digestión química de muestras de sedimentos y su examen microscópico muestran que el papel de enterrar los esqueletos de esponjas insolubles ha sido muy subestimado en los inventarios biogeoquímicos Las esponjas silíceas ahora se consideran el primer sumidero de sílice marina.

Producción

La mayor parte del dióxido de silicio proviene de la minería, incluida la extracción de arena y la purificación de cuarzo .

Humo de sílice

La sílice de pirólisis se obtiene como subproducto de procesos calientes como la producción de ferrosilicio . Es menos pura que la sílice pirógena y no debe confundirse con ella, sus propiedades físicas y aplicaciones también son diferentes.

Sílice pirógena

La sílice pirógena es una forma de sílice en polvo o coloidal obtenida quemando tetracloruro de silicio SiCl 4en un hidrógeno H 2 llamaO 2 rico en oxígeno :

SiCl 4+ 2 H 2+ O 2⟶ SiO 2+ 4 HCl .

Sílice precipitada

La sílice precipitada es una forma de dióxido de silicio amorfo obtenido por acidificación de soluciones de silicato de sodio Na 2 SiO 3. Forma un precipitado gelatinoso, o gel de sílice , primero lavado y luego deshidratado para dar sílice microporosa. La ecuación idealizada que involucra un trisilicato de sodio Na 2 Si 3 O 7y ácido sulfúrico H 2 SO 4 se puede resumir de la siguiente manera:

Na 2 Si 3 O 7+ H 2 SO 4⟶ 3 SiO 2+ Na 2 SO 4+ H 2 O.

En 1999 se produjeron del orden de un millón de toneladas de sílice de esta manera, destinadas principalmente a su uso en materiales compuestos ( neumáticos y suelas de zapatos ).

En circuitos integrados

Las delgadas capas de dióxido de silicio se desarrollan espontáneamente sobre las obleas de silicio por calor de oxidación , dando una capa muy fina de aproximadamente 1 nm de óxido nativo. Es posible hacer crecer capas de dióxido de silicio sobre silicio, por ejemplo, a temperaturas de 600 a 1200 ° C usando oxígeno (oxidación seca) o agua (oxidación húmeda):

Si + O 2⟶ SiO 2 ; Si + 2 H 2 O⟶ SiO 2+ 2 H 2.

Esta capa de óxido nativo es útil en microelectrónica porque actúa como aislante eléctrico con alta estabilidad química. Puede proteger el silicio, permitir que se acumule una carga eléctrica ( condensador ), bloquear la corriente eléctrica o incluso regular la intensidad de la corriente.

Procedimientos específicos o de laboratorio

Muchos procesos que conducen al dióxido de silicio parten de compuestos de organosilicio como el hexametildisiloxano O [Si (CH 3 ) 3 ] 2(HMDSO) y tetraetil ortosilicato Si (OEt) 4(TEOS). Por lo tanto, simplemente calentar el TEOS de 680 a 730 ° C da dióxido de silicio:

Si (OEt) 4⟶ SiO 2+ 2 OEt 2.

Asimismo, TEOS arde a alrededor de 400 ° C :

Si (OC 2 H 5 ) 4+ 12 O 2⟶ SiO 2+ 10 H 2 O+ 8 CO 2.

TEOS se hidroliza mediante el proceso sol-gel . El curso de la reacción y la naturaleza del producto dependen de los catalizadores , pero la ecuación idealizada se puede escribir:

Si (OEt) 4+ 2 H 2 O⟶ SiO 2+ 4 EtOH.

Dado que el dióxido de silicio es un compuesto muy estable, aparece durante muchas reacciones químicas. Así, la combustión del silano SiH 4da dióxido de silicio de la misma manera que la combustión del metano CH 4da dióxido de carbono CO 2 :

SiH 4+ 2 O 2⟶ SiO 2+ 2 H 2 O.

La deposición química de vapor ( CVD ) de SiO 2en la superficie de cristales de silano se llevó a cabo en un flujo de nitrógeno N 2a una temperatura de 200 a 500 ° C .

Aplicaciones

Usos estructurales

Aproximadamente el 95% del dióxido de silicio ( arena ) producido se consume en la industria de la construcción , por ejemplo para la producción de hormigón de cemento ( cemento Portland ). El dióxido de silicio es el componente principal de las piezas de fundición de arena que se utilizan para fabricar piezas metálicas en ingeniería y otras aplicaciones tecnológicas. El alto punto de fusión de la sílice es particularmente útil en este uso.

La sílice cristalizada se utiliza en la fracturación hidráulica de formaciones geológicas que contienen petróleo de reservorios compactos y gas de esquisto .

Producción de vidrio y silicio

La sílice es la principal materia prima utilizada para la producción de la mayoría de los vidrios . La temperatura de transición vítrea de dióxido de silicio puro es de aproximadamente 1 201,85 ° C . Cuando el dióxido de silicio fundido se enfría rápidamente, no cristaliza sino que solidifica como un sólido amorfo, en este caso un vidrio. La ausencia de orden a gran distancia no implica que el material también esté desordenado a menor escala, y se observa una organización ordenada en la sílice amorfa a escalas que exceden ampliamente la longitud del enlace Si - O ; este es por ejemplo el caso de los ciclos de seis tetraedros de SiO 4.

La mayoría de las fibras ópticas para telecomunicaciones están hechas de dióxido de silicio. Esta última es la materia prima de muchas cerámicas , como la terracota , el gres y la porcelana .

El dióxido de silicio permite obtener silicio puro, mediante un proceso que implica una reacción carbotérmica en un horno de arco eléctrico :

SiO 2+ 2 C ⟶ Si + 2 CO .

Industria electrónica

El dióxido de silicio también se usa ampliamente en la industria de la microelectrónica, donde sirve como capa de puerta de óxido ( dieléctrica ) de pasivación para un transistor MOSFET o incluso como capa antirreflectante . Sus aplicaciones son similares a las de otros óxidos relacionados, como el dióxido de circonio ZrO 2 , dióxido de titanio TiO 2o óxido de hafnio (IV) HfO 2.

Usos alimentarios

El dióxido de silicio es un aditivo (E 551) comúnmente utilizado en la industria alimentaria , principalmente como agente fluidificante para alimentos en polvo o para absorber humedad en aplicaciones higroscópicas . Se encuentra como agente antiaglomerante en alimentos en polvo como especias y cremas de café en polvo.

Coloidal de sílice se utiliza como un afinado agente en la clarificación y estabilización de vino , cerveza y zumos de frutas ; su número E es E551 .

Otro

El dióxido de silicio se utiliza en el método de separación de ADN por adsorción en sílice (en) , aplicable tanto al ADN como al ARN , debido a la capacidad del SiO 2para unirse a los ácidos nucleicos en presencia de caótropos .

El dióxido de silicio es el principal constituyente de tierra de diatomeas , o tierra de diatomeas , cuya especial propiedades mecánicas se utilizan en muchas aplicaciones, que van desde la abrasión en pasta de dientes para aislamiento térmico a través de la estabilización. De nitroglicerina en los palos de dinamita , la función de absorción en la camada para gatos , los insecticidas mecánicos (especialmente contra las cucarachas ), los catalizadores de soporte en catálisis heterogénea , la activación experimental del laboratorio de coagulación sanguínea , etc.

La sílice hidrófoba (en) se puede usar como antiespumante o se puede usar para producir agua seca , una sustancia que se presenta como un polvo blanco fino formado a partir de gotitas de agua recubiertas con una película de nanopartículas de sílice.

Toxicidad

La ingestión de dióxido de silicio por vía oral es esencialmente no tóxica, con una DL 50 de 5 g / kg . Un estudio de 2008 concluyó, después de seguir a sujetos durante 15 años, que un nivel de SiO 2más alto en agua parece reducir el riesgo de demencia ; una adición de 10 mg / día de SiO 2 en el agua potable se asoció con un riesgo 11% menor de demencia.

El dióxido de silicio no es químicamente tóxico , pero el polvo de sílice cristalino ( cuarzo y cristobalita , en particular) son tóxicos por su pequeño tamaño, dureza e inalterabilidad, principalmente por inhalación . Incluso una exposición breve puede causar irritación en los ojos y el sistema respiratorio . Las partículas más finas se pueden inhalar y llegar a las partes más profundas de los pulmones ( alvéolos ). Estas partículas no son eliminadas por el cuerpo y pueden provocar daños graves en los pulmones, como la silicosis ( neumoconiosis fibrosante). Pueden activar el NLRP3 inflamasoma de macrófagos y células dendríticas y por lo tanto conducir a la producción de interleuquina , un fuertemente pro-inflamatoria de citoquinas del sistema inmunológico . También promueven la aparición de cáncer de pulmón . Una sola exposición a altas dosis puede provocar efectos duraderos e irremediables, por lo que la prevención de riesgos es fundamental (protección personal, lucha contra la contaminación del aire, contención). La inhalación de tales partículas en grandes cantidades, por ejemplo en el lugar de trabajo, aumenta el riesgo de desarrollar enfermedades autoinmunes como el lupus eritematoso sistémico y la artritis reumatoide .

El polvo de sílice amorfa no presenta este grado de toxicidad porque tiene baja biopersistencia (es soluble en fluidos biológicos).

Riesgos laborales

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 en algunos casos inducir daño pulmonar irreversible, pero no está asociada con el desarrollo de silicosis . Los niños, los asmáticos de todas las edades, las personas con alergias y los ancianos, todos los cuales tienen una capacidad pulmonar reducida, pueden verse afectados más rápidamente.

La sílice cristalina también es un riesgo laboral para quienes producen encimeras de piedra, porque el proceso de corte e instalación de encimeras libera grandes cantidades de sílice en suspensión en el aire. La sílice cristalina utilizada en la fracturación hidráulica también representa un riesgo para la salud de los trabajadores.

Notas y referencias

Notas

Los valores numéricos son los del cuarzo α
Sic. Un valor tan alto del número Z de unidades químicas por malla es excepcional.
La opacidad relativa de la sílice en el infrarrojo es compartida por el vidrio de la ventana, rico en SiO 2. Durante mucho tiempo se pensó que este fenómeno era la causa de la diferencia de temperatura promedio entre el interior y el exterior de un invernadero , pero solo representa alrededor del 20% del calentamiento, siendo el fenómeno principal el bloqueo de la advección . Por otro lado, es la opacidad relativa de la atmósfera en el infrarrojo la que está en el origen del “ efecto invernadero ” atmosférico.

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