Tlenek krzemu(IV) i jego zastosowania. Nadtlenki.

Czym jest tlenek krzemu(IV)? Odmiany i występowanie SiO2.

Tlenek krzemu(IV), SiO2, ditlenek krzemu (ang. silicon dioxide), krzemionka – Jest to nieorganiczny związek chemiczny z grupy tlenków, w którym krzem występuje na IV stopniu utlenienia. Zwykle jest on krystalicznym ciałem stałym o dużej twardości. Występuje powszechnie na Ziemi pod postacią minerału – kwarcu. To składnik różnego rodzaju skał, piasku i wielu minerałów. Tworzy on kamienie półszlachetne.

Wzór empiryczny tlenku krzemu(IV) SiO2 nie oddaje jego właściwej struktury w stanie stałym, ponieważ w rzeczywistości tworzy on rozbudowane struktury przestrzenne, w których większość atomów krzemu jest połączona z czterema atomami tlenu. Prawie każdy z atomów tlenu łączy się z dwoma atomami krzemu. W sieci tej występuje jednak wiele defektów, ponadto powierzchnia krzemionki, w zależności od pochodzenia może zawierać atomy innych pierwiastków (wodoru, metali alkalicznych) lub grupy hydroksylowe. 


Krzemionka naturalnie powstaje w wyniku wytrącenia z gorących roztworów. Może ona przyjmować formę bezpostaciową, a właściwie skrytokrystaliczną - opal, chalcedon. W wyższych temperaturach, np. we wnętrzu Ziemi tworzy formy krystaliczne, takie jak kwarc, trydymit, krystobalit, coesyt i stiszowit. W specyficznych warunkach (w wulkanach, w wyniku wyładowań atmosferycznych, w kraterach meteorytowych, wskutek stopienia piasku kwarcowego) powstaje lechaterieryt. Czysta krzemionka ma kilka odmian krystalicznych - kwarc α, kwarc β, trydymit i krystobalit, które pod normalnym ciśnieniem są trwałe w temperaturach. Tlenek krzemu(IV) jest też końcowym produktem bardzo powolnego rozkładu krzemianów pod wpływem wody i dwutlenku węgla. Niektóre jego postacie (także uwodnionego, jako opal) powstają w organizmach żywych. SiO2 jest składnikiem skorupek okrzemek, których złoża tworzą diatomit zawierający ok. 80–95% krzemionki. Rośliny wytwarzają drobne krzemionkowe twory - fitolity (na zdjęciu). Dzięki fitolitom powstającym wewnątrz tkanek można rozpoznać gatunek, z którego pochodzą. Jako że zachowują się jako skamieniałości, są wykorzystywane jako materiał palinologiczny w archeologii do identyfikacji roślin użytkowych, także do odtwarzania historii rozprzestrzeniania się gatunków roślin. W fitolitach mogą odkładać się również metale. Przypuszcza się też, że niektóre z fitolitów mogą mieć właściwości rakotwórcze.

Najczęstszą postacią tlenku krzemu(IV) jest kwarc. Występuje on w przyrodzie w dużych ilościach jako piasek. Zawiera najczęściej różne zanieczyszczenia. Kryształy kwarcu mogą być bezbarwne i pięknie wykształcone, jak np. kryształ górski, a także mogą być zabarwione na kolor fioletowy (ametysty) lub żółty (cytryny). Jeżeli występuje w postaci krystalicznej, jest nazywany kwarcem. Kwarc stanowi główny składnik skał (granitu, gnejsu, piaskowca). W zależności od postaci w jakiej występuje i jego zabarwienia, tlenek krzemu(IV) tworzy różne minerały, a także wchodzi w skład m.in. opalu, który jest bezpostaciową odmianą kwarcu, chalcedonu i agatu.

Krzemionka jest bardzo rozpowszechnionym związkiem w skorupie ziemskiej. W miarę czyste jej postacie (głównie piasek i piaskowiec) stanowią ok. 12% jej masy. Przy uwzględnieniu także wszystkich minerałów, w skład których wchodzi SiO2 (jako część ich struktury), łączna jej zawartość wynosi ok. 50% skorupy ziemskiej.

Tlenek krzemu(IV) - właściwości i zastosowania.

Tlenek krzemu(IV) to substancja stała o dużej twardości. Jego gęstość wynosi 2,2 g/cm³. Topi się on w temperaturze 1723 °C. Temperaturę topnienia tego związku można obniżyć dodając tzw. topniki. Temperatura wrzenia krzemionki wynosi 2230 °C. Jest odporna na zmiany temperatury, ma też wysoką odporność chemiczną. Reaguje ona z alkaliami, przy czym reakcje te przebiegają bardzo powoli, z wyjątkiem stężonych, gorących roztworów wodnych wodorotlenków, np. potasu (KOH) i sodu (NaOH). Reaguje ze stopionym Na2CO3 i K2CO3, gazowym fluorowodorem (HF) oraz kwasem fluorowodorowym. Dodatkowo kwarc, którego jest głównym składnikiem, przepuszcza promienie nadfioletowe.

W wyniku reakcji z KOH, NaOH, Na2CO3 i K2CO3 powstają sole – krzemiany sodu i potasu, które są rozpuszczalne w wodzie i sprzedawane jako tzw. szkło wodne. Tlenek krzemu(IV) ogrzewany z pierwiastkowym krzemem w próżni do temperatury 1250 °C daje tlenek krzemu(II) - SiO, zgodnie z równaniem:
SiO2 + Si → 2SiO

Z czystego tlenku krzemu(IV) wytwarza się:
szkło kwarcowe – całkowicie amorficzna krzemionka topiona o wysokiej czystości. Ma bardzo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej. W przeciwieństwie do innych szkieł nie pochłania ono promieniowania UV. Stosuje się je do wyrobu szkła laboratoryjnego i elementów optycznych.
żel krzemionkowy – kserożel uwodnionej krzemionki. Jest on stosowany jako środek suszący i faza stała w chromatografii - technice analitycznej lub preparatywnej służąca do rozdzielania lub badania składu mieszanin związków chemicznych.
aerożel krzemionkowy – materiał izolacyjny. W zdecydowanej większości składa się z powietrza i posiada wyjątkowo niski współczynnik przewodnictwa ciepła. Dzięki unikalnej budowie jest jednym z najskuteczniejszych izolatorów dostępnych na rynku.

Tlenek krzemu(IV) w formie piasku kwarcowego jest stosowany do produkcji szkła, szkła wodnego, zaprawy murarskiej, cementu, wyrobów ceramicznych, emalii, form odlewniczych i wielu innych. Jest również używany do otrzymywania krzemu i jego stopów. Silikażel jest stosowany jako środek suszący, katalizator i nośnik katalizatorów. Odmiany tlenku krzemu(IV) są stosowane do produkcji wyrobów jubilerskich, a także do tworzenia przedmiotów ozdobnych, np. pucharów. Kwarc oraz szkło kwarcowe są natomiast ważnymi materiałami stosowanymi w optyce, spektroskopii i elektronice. Stopiony kwarc wykorzystuje się do wyrobu naczyń i aparatury laboratoryjnej, a także lamp kwarcowych. Ponadto tlenek krzemu(IV) ma zastosowanie w produkcji włókien sztucznych, materiałów wybuchowych, sztucznych nawozów, barwników i środków konserwujących, leków i środków czyszczących. Używa się go również do osuszania gazów, oczyszczania ropy naftowej, trawienia szkła i blach oraz do otrzymywania innych kwasów mineralnych, takich jak kwas azotowy czy kwas solny.

Szkło i jego rodzaje - właściwości i zastosowania.

Szkło to termoplastyczna mieszanina chemiczna stopionych tlenków, głównie krzemu, sodu, wapnia, potasu i innych pierwiastków. Powstaje w wyniku szybkiego schłodzenia płynu do postaci stanu stałego bez etapu krystalizacji. Nie posiada ono budowy krystalicznej - jest substancją bezpostaciową (niemającą uporządkowanej budowy wewnętrznej). Sposób rozmieszczenia podstawowych elementów sieci przestrzennej szkła przypomina rozmieszczenie cząsteczek w cieczy lub gazie. Molekuły te nie mają możliwości przemieszczania się ani możliwości ruchu, ew. możliwość ta jest niezwykle mała z powodu bardzo dużej lepkości. Z punktu widzenia termodynamiki szkło jest materiałem nietrwałym – stan energetyczny sieci amorficznej jest wyższy od jej krystalicznego odpowiednika. Z tego względu każde szkło dąży do krystalizacji, jednak nie dochodzi do niej nawet po bardzo długim czasie. Dzieje się tak z powodu bardzo dużej lepkości, która w warunkach normalnych jest takiego samego rzędu, jak dla krystalicznych ciał stałych. Szkło jest substancją stałą, przezroczystą i kruchą (pęka po uderzeniu), która nie przewodzi prądu elektrycznego i źle przewodzi ciepło. Nie ma stałej temperatury topnienia, natomiast jest materiałem o dużej odporności chemicznej. Jest materiałem izotropowym. Po ogrzaniu mięknie - można je wówczas dowolnie formować.
W zależności od składu szkła wyróżnia się:
Szkło sodowe (krzemianowe) - zawiera Na₂O, CaO i SiO₂. Charakteryzuje się niską temperaturą topnienia. Używane jest do wyrobu przedmiotów codziennego użytku, np. naczyń i szyb.
Szkło kwarcowe - zawiera SiO₂. Jest trudno topliwe i odporne na zmiany temperatury. Służy m.in do wyrobu elementów sprzętu optycznego i lamp kwarcowych.
Szkło ołowiowe - zawiera PbO, SiO₂ i K₂O. Jest łatwo topliwe, ma duży współczynnik załamania światła. Służy do wyrobu soczewek i kryształów.
Szkło budowlane - ma wiele odmian, np. szkło hartowane, szkło okienne i szkło klejone. Szkła budowlane są zazwyczaj szkłami sodowo-wapniowo-potasowo-krzemianowymi.
Szkło jenajskie (szkło boro-krzemianowym) – wynalezione zostało w Jenie (Niemcy). Cechuje się stosunkowo niską temperaturą topnienia (ok. 400 °C), łatwością formowania i jednocześnie wysoką odpornością na nagłe zmiany temperatury. Jest ono stosowane w sprzęcie laboratoryjnym i kuchennym.
Szkło ołowiowe (kryształowe) – przepuszczalne dla ultrafioletu. Ma bardzo wysoki współczynnik załamania światła. Jest bezbarwne lub o odcieniu żółtym albo fioletowym. Jego gęstość wynosi 3,4–4,6 g/cm³. Używane do produkcji wyrobów dekoracyjnych, soczewek optycznych, przezroczystych osłon przed promieniowaniem rentgenowskim (o grubości wynoszącej zwykle 2 lub 5 mm ołowiu) i promieniowaniem gamma.
Szkło optyczne - stosowane na potrzeby optyki. Ważne cechy takiego szkła to m.in. współczynnik załamania i gęstość.


Szkło krzemianowe i proces jego produkcji.

Najpopularniejszym rodzajem szkła jest znajdujące wiele zastosowań w życiu codziennym i różnych dziedzinach nauki szkło krzemianowe. Składa się głównie z piasku, wapienia i sody. Wytwarza się z niego przede wszystkim szyby okienne, szklane naczynia i urządzenia optyczne.

Proces produkcji szkła krzemianowego zaczyna się od ogrzania w piecu do temperatury 1200 - 1400°C zmielonej mieszaniny SiO2, CaCO3 i Na2CO3 i stłuczki szklanej. W wysokiej temperaturze węglany ulegają rozkładowi na tlenki metali i CO2 zgodnie z równaniami:

Na2CO3 → Na2O + CO2↑
węglan sodu tlenek sodu tlenek węgla(IV)

CaCO3 → CaO + CO2↑
węglan wapnia tlenek wapnia tlenek węgla(IV)

Powstałe w wyniku tych reakcji tlenki metali reagują z tlenkiem krzemu(IV), w czego wyniku powstaje mieszanina krzemianów:

Na2O + SiO2 → Na2SiO3
tlenek sodu tlenek krzemu(IV) krzemian sodu

CaO + SiO2 → CaSiO3
tlenek wapnia tlenek krzemu(IV) krzemian wapnia

Gorąca masa szklana zostaje następnie schłodzona do temperatury 1000°C.
Szkło całkowicie płaskie otrzymuje się, gdy roztopiona masa szklana płynie po powierzchni stopionej cyny. By natomiast otrzymać szkło pofałdowane, szkło przeciąga się między wałkami. Wyroby szklane formuje się przez m.in. prasowanie, wytłaczanie i wyciąganie. Na koniec uformowane produkty ochładza się powoli, by nie popękały.


Nadtlenki. Czym są i jak się je wykorzystuje?

Nadtlenki to związki chemiczne, w których tlen występuje na –I stopniu utlenienia, tworząc fragment nadtlenkowy, X-O-O-Y. Cząsteczki nadtlenków zawierają grupę nadtlenkową, w której atomy tlenu połączone są mostkiem tlenowym -O-O-. Najczęściej podstawniki X i Y są takie same, jednak możliwe są też nadtlenki asymetryczne, w których grupy X i Y są różne. Najprostszym przykładem nadtlenków asymetrycznych są wodoronadtlenki, w których podstawnikiem Y jest atom wodoru, natomiast podstawnikiem X jest inna dowolna grupa. Nadtlenki są silnymi utleniaczami, ponieważ tlen łatwo przechodzi na stopień utlenienia –II, z zerwaniem wiązania -O-O- w ugrupowaniu nadtlenkowym. Nadtlenki oprócz właściwości utleniających mają również właściwości wybielające i dezynfekujące. Ogrzewanie nadtlenku prowadzi do wydzielania tlenu atomowego [O] lub rodników nadtlenkowych. Wszystkie nadtlenki jonowe pod działaniem kwasu wydzielają nadtlenek wodoru.

Najbardziej znanym nadtlenkiem jest nadtlenek wodoru H2 O2 . Jego 3-procentowy roztwór to woda utleniona wykorzystywana do odkażania ran. 30-procentowy roztwór H2 O2 to perhydrol, który jest silnym wybielaczem stosowanym np. w bieleniu bawełny. Inne roztwory H2 O2 o różnych stężeniach to ignolina (85-98%) stosowana jako utleniacz paliwa rakietowego i paliwa okrętów podwodnych, a także roztwory o stężeniu 60%, które były stosowane w czasie II wojny światowej w napędzie niemieckich rakiet V2 (na zdjęciu).

Kolejnym przykładem nadtlenku jest nadtlenek sodu Na2O2, który jest stosowany w przemyśle do bielenia tkanin. Jest również składnikiem materiałów wybuchowych i zapalających. Powstaje on podczas spalania sodu w suchym powietrzu. W temperaturze 700°C rozpada się z wydzieleniem tlenu. Nadtlenek ten pochłania parę wodną i tlenek węgla(IV) z wilgotnego powietrza, wydzielając przy tym tlen. Ta reakcja chemiczna wykorzystywana jest do uzyskiwania tlenu w zamkniętych pomieszczeniach, np. w okrętach podwodnych, zgodnie z równaniem:

2 Na2 O2 + 2 CO2 → 2 Na2 CO3 + O2 ↑
nadtlenek sodu tlenek węgla(IV) węglan sodu tlen


Inne nadtlenki to np. nadtlenek benzoilu, stosowany m.in. jako inicjator polimeryzacji (np. metakrylanu metylu), a także nadtlenek baru BaO2, który znajduje zastosowanie w pirotechnice, wcześniej wykorzystywany również do produkcji nadtlenku wodoru:

BaO2 + H2SO4 → BaSO4 + H2O2
nadtlenek baru kwas siarkowy(VI) siarczan baru(VI) nadtlenek wodoru