Silica

Silica
Všeobecné
Systematický název	oxid křemičitý (IV).
Tradiční jména	oxid křemičitý; oxid křemičitý
Chem. vzorec	SiO2 _
Vzhled	E551 - ve formě sférických nanočástic o velikosti 20–60 nm
Fyzikální vlastnosti
Molární hmotnost	60,0843 g/ mol
Hustota	1,96 až 2,6 g/cm³
Měrný elektrický odpor	10¹¹ až 10¹³ ohm m
Tepelné vlastnosti
Teplota
•  tání	1600 °C
•  vroucí	2950 °C
Tlak páry	0 ± 1 mmHg
Klasifikace
Reg. Číslo CAS	7631-86-9
PubChem	24261
Reg. číslo EINECS	231-545-4
ÚSMĚVY	O=[Si]=O
InChI	InChI=lS/02Si/cl-3-2VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N
Codex Alimentarius	E551
RTECS	VV7565000
CHEBI	30563
ChemSpider	22683
Bezpečnost
Limitní koncentrace	3 mg/m³
LD 50	3500 mg/kg
Toxicita	toxické ve formě nanočástic (E551, aerosil), dní dávka pro lidi - 1 mg/kg
Ikony ECB
NFPA 704	0 0 0
Údaje jsou založeny na standardních podmínkách (25 °C, 100 kPa), pokud není uvedeno jinak.
Mediální soubory na Wikimedia Commons

Oxid křemičitý ( oxid křemičitý , SiO 2 ; lat.  oxid křemičitý ) - oxid křemičitý (IV). Bezbarvé krystaly , prakticky nerozpustné ve vodě, s vysokou tvrdostí a pevností .

Oxid křemičitý je hlavní složkou téměř všech suchozemských hornin , zejména křemeliny . Oxid křemičitý a silikáty tvoří 87 % hmoty litosféry . V lidské krvi a plazmě je koncentrace oxidu křemičitého 0,001 % hmotnosti [1] .

Vlastnosti

• Patří do skupiny oxidů kyselin .
• Při zahřátí interaguje se zásaditými oxidy a alkáliemi.
• Molární hmotnost: 60,084 g/mol
• Reaguje s kyselinou fluorovodíkovou .
• SiO 2 patří do skupiny sklotvorných oxidů, to znamená, že je náchylný k tvorbě přechlazené taveniny - skla .
• Dielektrikum ( elektrický proud nevede, pokud nemá nečistoty a nezahřívá se).

Polymorfismus

Oxid křemičitý má několik polymorfů .

Nejběžnější z nich na povrchu Země - α - křemen  - krystalizuje v trigonální syngonii . Oxid křemičitý se za normálních podmínek nachází nejčastěji v polymorfní modifikaci α-křemene, která se při teplotách nad +573 °C reverzibilně přeměňuje na β-křemen. S dalším zvýšením teploty se křemen mění na tridymit a cristobalit . Tyto polymorfy jsou stabilní při vysokých teplotách a nízkých tlacích.

Formy se nacházejí i v přírodě - opál , chalcedon , křemen , lutecit , autentický křemen , které patří do skupiny oxidu křemičitého. Opál (SiO 2 · n H 2 O) v tenkém řezu je bezbarvý, izotropní , má negativní reliéf, je uložen v mořských nádržích a je součástí mnoha křemičitých hornin. Chalcedon, křemen, lutecit - SiO 2  - jsou kryptokrystalické odrůdy křemene. Tvoří vláknité agregáty, růžice, sférolity, bezbarvé, namodralé, nažloutlé. Liší se od sebe některými vlastnostmi - pro chalcedon a křemen - přímé vyhasnutí, pro lutecit - šikmý, pro chalcedon - negativní elongace.

Při vysoké teplotě a tlaku se oxid křemičitý nejprve mění na coezit (který syntetizoval v roce 1953 americký chemik Loring Coes) a poté na stishovit (který v roce 1961 syntetizoval S. M. Stishov a v roce 1962 byl objeven v kráteru Barringer ( kráter arizonského meteoritu) [2] [3] .Podle některých studií[ co? ] , stishovit tvoří významnou část pláště , takže otázka, který typ SiO 2 je na Zemi nejčastější, zatím nemá jasnou odpověď.

Má také amorfní modifikaci - křemenné sklo .

Chemické vlastnosti

Oxid křemičitý SiO 2  je kyselý oxid, který nereaguje s vodou.

Chemicky odolný vůči kyselinám, ale reaguje s plynným fluorovodíkem :

a kyselina fluorovodíková :

Tyto dvě reakce se široce používají k tavení skla.

Při tavení SiO 2 s alkáliemi a zásaditými oxidy a také s uhličitany aktivních kovů vznikají křemičitany - soli velmi slabých, ve vodě nerozpustných kyselin křemičitých obecného vzorce xH 2 O ySiO 2 , které nemají stálé složení (dost často jsou v literatuře uváděny nekřemičité kyseliny, ale kyselina křemičitá, i když ve skutečnosti mluvíme o stejné látce).

Například ortokřemičitan sodný lze vyrobit :

metakřemičitan vápenatý :

nebo směsný křemičitan vápenatý a sodný:

Okenní sklo je vyrobeno z křemičitanu Na 2 CaSi 6 O 14 (Na 2 O CaO 6SiO 2 ) .

Většina silikátů nemá stálé složení. Ze všech křemičitanů jsou ve vodě rozpustné pouze křemičitany sodné a draselné. Roztoky těchto silikátů ve vodě se nazývají kapalné sklo. Díky hydrolýze se tyto roztoky vyznačují silně alkalickým prostředím. Hydrolyzované silikáty se vyznačují tvorbou nikoli pravých, ale koloidních roztoků. Při okyselování roztoků křemičitanů sodných nebo draselných se vysráží želatinová bílá sraženina hydratovaných kyselin křemičitých.

Hlavním strukturním prvkem pevného oxidu křemičitého i všech silikátů je skupina [SiO 4/2 ], ve které je atom křemíku Si obklopen čtyřstěnem o čtyřech atomech kyslíku O. Každý atom kyslíku je spojen se dvěma atomy křemíku. Fragmenty [SiO 4/2 ] mohou být propojeny různými způsoby. Mezi silikáty se podle povahy vazby [SiO 4/2 ] fragmentů v nich rozlišují ostrovní, řetězové, páskové, vrstvené, kostrové a další.

Za zvláštních podmínek interaguje s vodou.

Oxidační vlastnosti nejsou charakteristické a objevují se pouze při reakcích se silnými redukčními činidly: uhlí, hliník, hořčík, vápník.

Získání

Syntetický oxid křemičitý se získává zahřátím křemíku na teplotu +400 ... +500 ° C v kyslíkové atmosféře , zatímco křemík se oxiduje na oxid SiO 2 . Stejně jako tepelná oxidace při vysokých teplotách.

V laboratorních podmínkách lze syntetický oxid křemičitý vyrobit působením kyselin, dokonce i slabé kyseliny octové , na rozpustné silikáty. Například:

kyselina křemičitá se okamžitě rozkládá na vodu a SiO 2 , který se vysráží .

Přírodní oxid křemičitý ve formě písku se používá tam, kde není vyžadována vysoká čistota materiálu.

Aplikace

Amorfní neporézní oxid křemičitý se používá v potravinářském průmyslu jako pomocná látka E551 , která zabraňuje spékání a hrudkování, v parafarmaceutikách ( zubních pastách ), ve farmaceutickém průmyslu jako pomocná látka (obsažena ve většině lékopisů ), ke stabilizaci suspenzí a mastí. , jako základy zahušťovadla masti, plniva do tablet a čípků. Je součástí složení výplňových materiálů, snižuje hygroskopičnost suchých extraktů, zpomaluje uvolňování biologicky aktivních látek z různých lékových forem; jako potravinářská aditiva a sorbenty, dále jako matrice pro tvorbu lékových forem s požadovanými vlastnostmi - jelikož zde není krystalická struktura (amorfen) [4] , tak jako potravinářská přísada nebo léčivo jako enterosorbent Polysorb MP s širokým spektrem použití s přihlédnutím k vysokému specifickému sorpčnímu povrchu (v rozmezí 300-400 m²) na 1 g základní látky.

Oxid křemičitý se používá při výrobě skla , keramiky , brusiv , betonových výrobků , k získávání křemíku , jako plnivo při výrobě kaučuku , při výrobě křemičitých žáruvzdorných materiálů , v chromatografii a další. Krystaly křemene
mají piezoelektrické vlastnosti, a proto se používají v radiotechnice , ultrazvukových zařízeních, zapalovačích a při výrobě orgonitů .

Používá se také k výrobě kabelů z optických vláken . Používá se čistý tavený oxid křemičitý s přídavkem některých speciálních přísad.

Křemičité vlákno se také používá v topných tělesech elektronických cigaret, protože dobře absorbuje kapalinu a nehroutí se při zahřívání spirálky.

Oxid křemičitý také našel nejširší uplatnění v pneumatikářském průmyslu, výrobě pryžového zboží a plastů, chemickém průmyslu, strojírenství a v řadě specifických provozů:

• jako nosič katalyzátorů a chemikálií na ochranu rostlin;
• jako sorbenty a filtrační prášky pro regeneraci ropných produktů;
• jako vysoce kvalitní tavidlo v procesech metalurgie neželezných kovů;
• jako surovina pro výrobu skla šetrného k životnímu prostředí, skleněných nádob a křišťálu;
• jako plnivo do papíru a lepenky pro získání hygienicky čistých obalových materiálů pro potravinářský průmysl;
• Filtrační prášky pro pivo, oleje, šťávy, matovací přísady do laků a barev;
• získat karbid křemíku ve strojírenství - keramické motory, díly pro letecký stavební komplex;
• pro získávání krystalického křemíku v elektronickém a elektrotechnickém průmyslu, keramické elektrické izolátory, skleněná vlákna, vláknová optika, supertenká vlákna;
• pro syntézu umělých zeolitů v petrochemii - krakování ropy a tak dále.

Velké průhledné krystaly křemene se používají jako polodrahokamy ; bezbarvé krystaly se nazývají horský křišťál , fialové ametysty , žlutý citrín .

V mikroelektronice je oxid křemičitý jedním z hlavních materiálů. Používá se jako izolační vrstva (například hradlové dielektrikum v tranzistorech s efektem pole ) a také jako ochranný povlak. Získává se ve formě tenkých vrstev tepelnou oxidací křemíku, chemickým napařováním , magnetronovým naprašováním .

Porézní oxid křemičitý

Porézní oxid křemičitý se získávají různými způsoby.

Silochrom se získává agregací aerosilu , který se zase získává spalováním silanu ( Si H 4 ). Silochrom se vyznačuje vysokou čistotou, nízkou mechanickou pevností. Charakteristická velikost měrného povrchu je 60–120 m2/g. Používá se jako sorbent v chromatografii , gumové plnivo, katalýza .

Silikagel se získává sušením gelu kyseliny křemičité. Ve srovnání se silochromem má nižší čistotu, ale může mít extrémně vyvinutý povrch: obvykle od 300 m² / g do 700 m² / g.

Silikonový aerogel obsahuje přibližně 99,8 % vzduchu a může mít hustotu až 1,9 kg/m³ (pouze 1,5násobek hustoty vzduchu).

Toxicita

Ve formě nanočástic

Schopnost nanočástic pronikat biologickými bariérami a akumulovat se v těle, jejich vysoká chemická a katalytická aktivita určují přítomnost toxických vlastností v mnoha nanočásticích, které je nutné brát v úvahu při posuzování možných rizik jejich expozice pro člověka. Jako hlavní rizikové kritérium pro nanočástice se používá objem jejich produkce a neschopnost rozpustit se ve vodě a biologických médiích. [5]

Dle TR CU 021/20111 jsou potraviny obsahující nanočástice nebo vyrobené za použití nanotechnologií s vlastnostmi považovány za „výrobky nového typu“, u kterých je povinné posuzování shody formou státní registrace. [5]

Do roku 2018 prošlo v Rusku a celní unii asi 60 druhů produktů nanoprůmyslu státní registrací jako nový typ potravinářského produktu. Jedná se především o biologicky aktivní doplňky stravy (BAA) obsahující potravinářské látky v nanoformě, komplexní potravinářské přísady - emulgátory a některé druhy technologických pomůcek a kompozitní obalové materiály využívající nanojíly. Analýza sortimentu potravinářských výrobků na trhu, regulačních dokumentů, které stanoví požadavky na jejich složení a bezpečnost, však ukazuje, že rozsah použití potravinářských přídatných látek ve formě nanočástic a nanomateriálů při výrobě potravin může být podceněn, protože částice velikost není regulována a není kontrolována ani ruským ani mezinárodním regulačním rámcem, zejména amorfním oxidem křemičitým a oxidem titaničitým. [5]

Oxid křemičitý ve formě E551 se používá jako protispékavá látka a nosič. TR CU 029/20122 stanoví přípustné úrovně jeho obsahu v koření (ne více než 30 g/kg), výrobcích pevně zabalených ve fólii (30 g/kg), moučkovém cukru (10 g/kg), soli a jejích náhražkách ( 10 g/kg), sýry a sýrové výrobky (10 g/kg), příchutě (50 g/kg). Při výrobě potravin pro děti je povoleno použití potravinářských surovin obsahujících E551. V tabletovaných potravinářských výrobcích, doplňcích stravy, sladkých cukrovinkách (kromě čokolády) není obsah E551 regulován. Kromě výše uvedených potravinářských produktů je příjem amorfního SiO2 možný s léčivy a kosmetickými produkty (zubní pasty atd.). [5] Na celkovém objemu E551 má významný podíl jeho forma, např. vysoce disperzní pyrogenní SiO2 (Aerosil), který má specifický povrch 300–380 m2/g, ve formě sférických nanočástic s velikosti asi 20–60 nm, které se tvoří na ultrastrukturální úrovni, slabě vázané (aglomerované). [5]

Specifikace JECFA pro tuto potravinářskou přídatnou látku však neobsahuje informace o velikosti jejích částic, která zpravidla není kontrolována a není deklarována výrobci výrobků, v důsledku čehož může značné množství potravinářských výrobků v oběhu obsahují tuto látku ve formě nanomateriálu a u některých Podle údajů může v současnosti vystavení lidské potravy nanočásticím SiO2 překročit 1,8 mg/kg tělesné hmotnosti za den. Ve studiích na laboratorních zvířatech byly nanočástice SiO2 při vstupu do gastrointestinálního traktu biologicky dostupné a v 3měsíčním subakutním experimentu v dávce nanočástice SiO2 typu Aerosil 100 mg/kg tělesné hmotnosti byla u zvířat pozorována leukopenie, snížil se podíl T-helperů, zvýšil se podíl cytotoxických lymfocytů, snížil se imunoregulační index (CD4/CD8), byla zaznamenána nerovnováha prozánětlivých a protizánětlivých cytokinů, což dohromady znamená nepříznivý vliv na imunitní systém. Morfologická studie ukázala, že cílem působení nanočástic SiO2 dodávaných s potravou je sliznice tenkého střeva, kde je pozorován masivní lymfomakrofág a eozinofilní infiltrace klků. [5]

Vezmeme-li v úvahu zavedení dvou desetinásobných bezpečnostních faktorů při přenosu dat získaných v modelech in vivo na člověka, není možná přípustná denní dávka nanočástic SiO2 z potravy vyšší než 1 mg/kg tělesné hmotnosti. [5]

• Dříve se věřilo, že látka má nízkou toxicitu: MPC v pracovní oblasti je 3 mg/m³. LD50 u potkanů ​​- 3500 mg/kg. (zdroj?)
• Když oxid křemičitý vstupuje do tkání těla, objevují se granulomy a postupně se vyvíjejí .
• Při vdechování prachu dochází k podráždění dýchacích cest a také k různým onemocněním trávicího traktu. Chronická expozice prachu může způsobit plicní silikózu [1] .

Poznámky

1. ↑ 1 2 Sacharov, 1990 .
2. ↑ Chemist's Handbook 21 - Stishovite . Získáno 23. září 2019. Archivováno z originálu dne 23. září 2019. (neurčitý)
3. ↑ Lisichkin G.V. Chemie roubovaných povrchových sloučenin . Získáno 23. září 2019. Archivováno z originálu 19. června 2017. (neurčitý)
4. ↑ Lékařská chemie a klinické využití oxidu křemičitého: monografie. / [ALE. A. Chuiko, V. A. Tertykh, V. V. Lobanov a další]; Ed. A. A. Chuiko; Národní akad. Vědy Ukrajiny. Ústav povrchové chemie. - Kyjev: Naukova Dumka , 2003. - 414, [1] s. : nemoc., tab. - ISBN 966-00-0185-1 .
5. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Gmoshinsky I.V., Shipelin V.A., Khotimchenko S.A. Nanomateriály v potravinářských výrobcích a jejich obalech: srovnávací analýza rizik a přínosů  Analýza zdravotních rizik. - 2018. - Vydání. 4 . — S. 134–142 . — ISSN 2308-1155 .

Literatura

• I. E. Neimark // Silikagel, jeho příprava, vlastnosti a aplikace. 1973 - Kyjev - 200 s.
• Sacharov V.V. Oxid křemičitý // Chemická encyklopedie  : v 5 svazcích / Ch. vyd. I. L. Knunyants . - M .: Sovětská encyklopedie , 1990. - T. 2: Duff - Medi. - S. 517-518. — 671 s. — 100 000 výtisků.  — ISBN 5-85270-035-5 .
• A. I. Vrublevsky // Základy chemie